JPWO2017046857A1 - 内視鏡装置 - Google Patents

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Abstract

照明装置（２０）は、互いにピーク波長の異なる第１及び第２波長狭帯域光を出射する。画像処理回路（２２）は、観察対象として予め想定される複数の想定被写体種を記憶する被写体種記憶部（４８）と、少なくとも第１波長狭帯域光が照明された状態で撮像素子（４２）により第１波長狭帯域光に関する像光情報として選択的に取得された第１波長画像信号と、少なくとも第２波長狭帯域光が照明された状態で撮像素子により第２波長狭帯域光に関する像光情報として選択的に取得された第２波長画像信号と、上記被写体種記憶部の複数の想定被写体種と、に基づいて単数または複数の画素について想定被写体種を決定する、被写体種決定回路（４６）と、を有する。

Description

本発明は、内視鏡装置に関する。
現在、小型光源と光ファイバとを組み合わせた、いわゆるファイバ光源装置が開発されている。このファイバ光源装置は、細い構造物の先端から照明光を照射する光源装置として用いるのに特に好適である。
このようなファイバ光源装置としては、例えば、特開平１０−２８６２３５号公報（以下、特許文献１と記す）には、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色のレーザ光を同時に出射するレーザ光源と、光ファイバと、拡散板と、を組み合わせたものが開示されている。上記特許文献１は、このようなファイバ光源装置を内視鏡装置に搭載することを提案している。このような、Ｒ，Ｇ，Ｂ３色のレーザ光源と光ファイバと拡散板とを組み合わせた光源装置では、レーザ光を拡散板まで導く効率が極めて高いため、高効率で明るい光を出射する光源装置を実現することができる技術として注目されている。
上記特許文献１に開示されているファイバ光源装置は、４４１．６ｎｍの青色レーザ光、５３７．８ｎｍの緑色レーザ光、６３６．０ｎｍの赤色レーザ光を同時に発振する３原色（白色）レーザであるＨｅ−Ｃｄ第２レーザを用いている。このＨｅ−Ｃｄ第２レーザからの３原色（白色）レーザ光は、ライトガイドで内視鏡先端部まで導光され、拡散板及び照度分布調整フィルタを介して照明対象物である生体に照射される。
一般に、レーザ光を拡散して照明光として用いる場合、レーザ光の波長に含まれない光の情報が欠落してしまうという問題がある。すなわち、照明対象物である生体が、Ｈｅ−Ｃｄ第２レーザが発振する６３６．０ｎｍの赤色レーザ光及びその近傍の波長の光の反射率が、赤色領域のそれ以外の波長の光の反射率と異なっている場合、色再現性が悪くなることが知られている。例えば、照明対象物が、６３６ｎｍ近傍の光をほとんど反射せず、それ以外の赤色領域の光をよく反射する場合、実際には赤色に見えるにもかかわらず、レーザ光で照明した場合は暗く見えてしまうなどの問題がある。
上記特許文献１では、このような問題に対し、６３２．８ｎｍの赤色光を加えることで色再現性を向上できるとし、さらに、複数の赤色波長のレーザを合波させても良いとしている。すなわち、上記特許文献１に開示されているファイバ光源装置は、上記Ｈｅ−Ｃｄ第２レーザからの白色レーザ光と、６３２．８ｎｍの赤色波長で発光するＨｅ−Ｎｅ第２レーザからの赤色レーザ光とを、ビームスプリッタにより合波し、この合波されたレーザ光を上記ライトガイドで内視鏡先端部まで導光し、上記拡散板及び上記照度分布調整フィルタを介して照明対象物である生体に照射するように構成している。
特開平１０−２８６２３５号公報
上記特許文献１によるファイバ光源装置では、複数の赤色を出射するレーザ光を設けることで色再現性を向上できるとしているが、追加されたのはわずか１本の赤色レーザ光である。
レーザ光の波長幅は一般に、１ｎｍ以下であり、青１色、緑１色、赤色２色を合わせても、照明光が存在する波長領域の幅は概ね４ｎｍ以下である。一方、内視鏡装置などの観察に用いられる固体撮像素子の受光感度を有する領域である可視光領域は一般に４００ｎｍ〜７００ｎｍの、約３００ｎｍの幅を有している。従って、上記特許文献１の例では、照明光が存在する波長領域は、１．３％以下であり、９８％以上の波長領域で照明光が存在しないことになる。
すなわち、上記特許文献１に記載されたファイバ光源装置は、構成としては赤色レーザ光２本、緑色レーザ光１本、青色レーザ光１本の計４本のレーザ光を用いた構成となっているが、実質的に９８％以上の波長領域には照明光が存在せず、そのため、９８％以上の波長領域の、照明対象物である生体の色情報を得ることができず、生体の色再現性に乏しい構成となっている。
一方、上記特許文献１のように、ファイバ光源装置を内視鏡装置に搭載する場合、被写体の種類は限られている。そして、それら限られた種類の被写体の色については既知である。よって、内視鏡装置で観察している被写体を特定することができれば、既知情報と被写体の撮像により得られた画像信号とより、観察用の表示画像について高色再現性を実現し得ると考えられる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、レーザ光に代表される離散的な狭帯域光を用いた光源装置を使用して、観察している被写体を特定することを目的とする。
本発明の内視鏡装置の一態様は、被写体に照明光を照射する照明装置と、上記被写体からの像光を複数の画素で撮像することにより取得画像信号を生成する撮像装置と、上記取得画像信号を基に表示画像信号を構築する画像処理回路と、を備える。上記照明装置は、互いにピーク波長の異なる第１波長狭帯域光及び第２波長狭帯域光を出射する。上記画像処理回路は、観察対象として予め想定される複数の想定被写体種を記憶する記憶部と、少なくとも上記第１波長狭帯域光が照明された状態で上記撮像装置により上記第１波長狭帯域光に関する像光情報として選択的に取得された第１波長画像信号と、少なくとも前記第２波長狭帯域光が照明された状態で前記撮像装置により前記第２波長狭帯域光に関する像光情報として選択的に取得された第２波長画像信号と、前記記憶部の前記複数の想定被写体種と、に基づいて単数または複数の画素について前記想定被写体種を決定する、想定被写体種決定回路を有する。
本発明によれば、離散的な狭帯域光を用いた光源装置を使用して、観察している被写体を特定し得る内視鏡装置を提供することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る内視鏡装置の概略的な構成を示す図である。 図２は、ピーク波長４０５ｎｍで発光する第１レーザの発光スペクトルの一例を示す図である。 図３は、欠落領域を説明するための図である。 図４は、コンバイナの一例として光ファイバ型コンバイナの構成を説明するための斜視図である。 図５Ａは、撮像装置の画素に対する想定被写体種決定単位の一例を示す図である。 図５Ｂは、撮像装置の画素に対する想定被写体種決定単位の別の例を示す図である。 図６は、被写体種番号Ｍ１〜Ｍ１０及びＶ１〜Ｖ１０の被写体の分光反射スペクトルの例を示す図である。 図７は、酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンの分光吸収スペクトルを示す図である。 図８は、生体内壁の代表的な表示画像例を示す図である。 図９は、被写体種番号Ｍ１〜Ｍ１０及びＶ１〜Ｖ１０の被写体に対する各波長における変動係数の例を示す図である。 図１０は、被写体種番号Ｍ１〜Ｍ１０及びＶ１〜Ｖ１０の被写体に対する各波長における相対変動係数の例を示す図である。 図１１は、６６０ｎｍで正規化した、スペクトル種それぞれに対する可視光分光反射率を示す図である。 図１２は、被写体種記憶部に記憶されている、想定被写体種指標値（４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値）に対する被写体種番号を示す第１データテーブルの例を示す図である。 図１３は、表示画像記憶部に記憶されている、被写体種番号と明るさ指標値に対する表示画像信号値を示す第２データテーブルの例を示す図である。 図１４は、第１実施形態に係る内視鏡装置の動作フローチャートを示す図である。 図１５は、本発明の第２実施形態に係る内視鏡装置の概略的な構成を示す図である。 図１６は、被写体種番号Ｍ１〜Ｍ１０、Ｖ１〜Ｖ１０及びＳ１〜Ｓ１０の被写体の分光反射スペクトルの例を示す図である。 図１７は、被写体種番号Ｍ１〜Ｍ１０、Ｖ１〜Ｖ１０及びＳ１〜Ｓ１０の被写体に対する各波長における相対変動係数の例を示す図である。 図１８は、第２想定被写体群を説明するための図である。 図１９は、第２想定被写体群に対する各波長における相対変動係数の例を示す図である。 図２０は、被写体種記憶部に記憶されている、第１想定被写体種指標値（４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値）と第２想定被写体種指標値（５３０ｎｍ／６６０ｎｍ信号値）に対する被写体種番号を示す第３データテーブルの例を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
本第１実施形態に係る内視鏡装置１０は、人もしくは動物の体内を被写体Ｏと想定している医療内視鏡装置である。
図１に示すように、内視鏡装置１０は、人もしくは動物の体内の観察対象物である被写体Ｏを観察するために、それらの体内に挿入される挿入部１２と、光源及び画像構築の機能を有する本体部１４と、被写体Ｏの画像を表示する表示部１６と、によって構成される。挿入部１２は、接続部１８により、本体部１４に対して着脱自在となっている。
本体部１４には、照明装置２０の一部と、画像処理回路２２と、が構成されている。照明装置２０の残りの部分は挿入部１２内に構成されている。すなわち、内視鏡装置１０は、人もしくは動物の体内の観察対象物である被写体Ｏに照明光を照射する照明装置２０を有しており、この照明装置２０は、その構成部材が挿入部１２と本体部１４とに割り振られている。
なお、特に図示はしていないが、本体部１４は、操作者による各種指示を受け付けるための入力部と、その入力部を介した各種指示に従って当該内視鏡装置１０の各部を制御する制御部と、をさらに備えている。
照明装置２０は、具体的には、第１レーザ２４、第２レーザ２６、光源制御回路２８、コンバイナ３０、光出射部３２、及び光ファイバ３４，３６，３８及び４０によって構成される。このうち、第１レーザ２４、第２レーザ２６、光源制御回路２８、コンバイナ３０、及び光ファイバ３４，３６及び３８が本体部１４内に配置され、光出射部３２及び光ファイバ４０が挿入部１２内に配置されている。但し、この配置は一例であり、これに限定されるものではない。
第１レーザ２４と第２レーザ２６は、出射光の波長が互いに異なる半導体レーザである。光源制御回路２８は、第１レーザ２４及び第２レーザ２６のそれぞれから出射されるレーザ光の光量や、各レーザの点灯／消灯などを制御する。第１レーザ２４から出射されたレーザ光は光ファイバ３４によって導光され、第２レーザ２６から出射されたレーザ光は光ファイバ３６によって導光される。コンバイナ３０は、これら光ファイバ３４及び３６によって導光されてきた第１レーザ２４及び第２レーザ２６からのレーザ光を合波して、１本の光ファイバ３８に入射させる。コンバイナ３０により合波された第１レーザ２４及び第２レーザ２６から出射されたレーザ光を導光する光ファイバ３８は、接続部１８に設けた図示しない光コネクタにより、挿入部１２内の光ファイバ４０と光学的に接続されている。よって、光ファイバ３８内を導光された第１レーザ２４及び第２レーザ２６からのレーザ光は、光ファイバ４０に入射され、挿入部１２の先端部に配置された光出射部３２まで導光される。光出射部３２は、光ファイバ４０により導光されてきたレーザ光を、適宜、照明に適した光の特性に変換して、挿入部１２の前方に出射する。
挿入部１２の先端部にはさらに、被写体Ｏからの像光を複数の画素で撮像することにより取得画像信号を生成する撮像装置である撮像素子４２が設けられている。撮像素子４２からは、撮像素子４２が撮像した像光情報の電気信号を送信する信号線が、挿入部１２内を本体部１４に向かって延びている。よって、撮像素子４２は、接続部１８を介して、本体部１４内の画像処理回路２２に電気的に接続されている。
画像処理回路２２は、撮像装置である撮像素子４２より取得された取得画像信号を基に、表示部１６に表示する表示画像信号を構築する。この画像処理回路２２は、信号分配回路４４、被写体種決定回路４６、被写体種記憶部４８、明るさ指標値決定回路５０、表示画像決定回路５２、及び表示画像記憶部５４によって構成される。なお、信号分配回路４４、被写体種決定回路４６、明るさ指標値決定回路５０、及び表示画像決定回路５２は、ハードウェアで構成することもできるし、ＣＰＵ等のプロセッサにより実行されるソフトウェアによって実現することも可能である。また、被写体種記憶部４８及び表示画像記憶部５４は、半導体メモリや磁気ディスクなどで構成することができる。これら各部の具体的な作用については、後述する。画像処理回路２２は、上記取得画像信号から、画素毎あるいは複数の画素毎に被写体種と明るさを決定した上で、その情報に基づき被写体Ｏの色を再現した表示画像信号を決定し、表示部１６に送信する。
表示部１６は、画像処理回路２２から送信されてきた表示画像信号を表示する。
挿入部１２は、細長い円筒形状の外観を有しており、人もしくは動物の内部空間に挿入し易い形状となっている。被写体Ｏは、例えば図１に示すように、狭い入り口の奥側に存在する、やや広がった内壁などが考えられる。このような被写体Ｏには、室内照明や太陽光などの外光が侵入しにくい。特に、挿入部１２を入り口に挿入すると、もとより狭い入り口をさらに挿入部１２が塞ぐ形となり、外光はほとんど内部に侵入しない。すなわち、内部空間の被写体Ｏに対する照明光のほとんどは、光出射部３２から出射された照明光のみである。この照明光と比較して、外光はほとんど無視できる。本実施形態による内視鏡装置１０は、このような、照明光と比較して外光がほとんど無視できる内部空間を観察するのに好適である。
以下、各部の構成及び作用について、更に詳細に説明する。
＜第１レーザ２４及び第２レーザ２６＞
半導体レーザは、半導体素子に電流を流すことでレーザ光を出射する固体光源装置である。半導体レーザは、小型且つ省電力などの特長を有しており、近年、高輝度化及び波長多様化に向け開発が盛んである。レーザ光は一般に、波長幅が非常に狭い線スペクトルの波長特性を有した波長狭帯域光である。半導体レーザの場合、スペクトル線の幅（スペクトル線幅）は１ｎｍ以下のものが一般的である。
本実施形態に係る内視鏡装置１０が備える照明装置２０は、発振波長の短いものから順に、第１レーザ２４及び第２レーザ２６の２台の半導体レーザを有している。すなわち、第１レーザ２４は、波長約４０５ｎｍの青紫色レーザ光（第１波長狭帯域光）を出射するマルチモード型半導体レーザであり、第２レーザ２６は、波長約６６０ｎｍの赤色レーザ光（第２波長狭帯域光）を出射するマルチモード型半導体レーザである。
各半導体レーザは、いずれもマルチモードレーザであり、例えば図２に示すように、複数の波長でレーザ発振するが、発振波長の最短のものから最長のものまで含めても１ｎｍ以下の波長域に含まれる。図２はピーク波長５６が４０５ｎｍで発光する第１レーザ２４の発光スペクトルの一例である。
発光スペクトルは、数十本の線スペクトル成分を有し、時間と共に比率や線スペクトルの数が刻々と変化する。発光スペクトルの波長領域の幅は、全体で１ｎｍ程度の広がりを有している。このようなスペクトルを有するマルチモードレーザ光を波長狭帯域光として用いる場合の、波長狭帯域光のピーク波長５６は、最も光強度の高い波長（λｐｅａｋ）と定義する。本実施形態では、第１レーザ２４のピーク波長５６は、λｐｅａｋ＝４０５ｎｍである。第２レーザ２６は、ピーク波長がλｐｅａｋ＝６６０ｎｍのものを用いている。
図３に示すように、波長的に隣接する２つのレーザ光スペクトル５８，６０の間の領域で、レーザ光が略無い領域を波長欠落領域６２と定義する。より詳しくは、複数のレーザ光の最も強度の強いピーク強度に対して１／１００より小さな強度を有する領域を波長欠落領域６２と定義する。
＜光源制御回路２８＞
光源制御回路２８は、第１レーザ２４及び第２レーザ２６を関連付け、また単独でも制御できる機能を有している。
例えば、光源制御回路２８が、第１レーザ２４及び第２レーザ２６の光量比を一定に保ったまま、全体の光量を増減させるように制御すれば、照明光の色を変化させずに、明るさだけを増減させることができる。また、光源制御回路２８は、第１レーザ２４及び第２レーザ２６の光量を個別に調整することがで、照明光の色を変化させることができる。さらに、光源制御回路２８は、全てのレーザを同時に点滅させるよう制御することで、所望の色で点滅する照明装置２０を実現できる。また、光源制御回路２８は、第１レーザ２４及び第２レーザ２６を異なるタイミングで順次点滅させることで、照明光の色が順次変化する照明装置２０を実現することができる。
その他、用途に応じて様々な制御が可能なように、光源制御回路２８は構成されることが可能である。なお、この光源制御回路２８は、ハードウェアで構成することもできるし、ＣＰＵ等のプロセッサにより実行されるソフトウェアによって実現することも可能である。
本実施形態では、光源制御回路２８は、上記第１レーザ２４及び第２レーザ２６に対して、撮像素子４２が適正に露光されるタイミングで上記２波長のレーザ光が光出射部３２から交互に出射されるように点灯制御を行う。
＜光ファイバ３４，３６，３８，及び４０＞
本実施形態では、レーザ光源からのレーザ光をコンバイナ３０に導光するために、また、コンバイナ３０から光出射部３２まで導光するために、光ファイバ３４，３６，３８，及び４０が用いられている。さらに、コンバイナ３０として後述するような光ファイバ型コンバイナを用いている。
これらの光ファイバ３４，３６，３８，４０として、実用化されている様々な光ファイバを利用することが可能である。本実施形態では、レーザとしてマルチモード半導体レーザを用いているため、このマルチモードのレーザ光を効率的に入射及び導光するために、マルチモード型の光ファイバを用いている。
光ファイバ３４は、図４に示すように、コア６４とその周りのクラッド６６を有する。光ファイバ３６も同様である。光ファイバ３８は、光ファイバ３４及び３６よりも大径であり、コア６８とその周りのクラッド７０を有する。マルチモード型の光ファイバは、コア径が数十μｍから２００μｍ程度のものが一般的である。
また、挿入部１２に搭載され、光出射部３２までレーザ光を導光する光ファイバ４０も特に図示はしないがコアとその周りのクラッドを有する。本実施形態では、この光ファイバ４０としては、コア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、ＮＡ０．２の光ファイバを用いている。
＜コンバイナ３０＞
コンバイナ３０は、複数の入力端から入射した光を１つの出射端に合波する機能を有する光学素子である。例えば、クロスプリズム、ダイクロイックミラー等を組み合わせた、空間光学系によるものや、複数の径の細い光ファイバのコア部を、１本の径の太い光ファイバのコア部に接続した光ファイバ型のものなど、複数のレーザからのレーザ光を１本の光ファイバに結合可能なものを利用することができる。
本実施形態では、コンバイナ３０として、図４に示すような光ファイバ型コンバイナを用いている。図４は、２つの入力ポートに接続された２本の入射側光ファイバ３４及び３６と、１つの出力ポートに接続された出射側光ファイバ３８とを、その端面同士が対向するように押し当てて光学的に接続した、２ｉｎ１ｏｕｔコンバイナの例である。
用途に応じて２ｉｎ１ｏｕｔのものから、多数の入力側光ファイバを１本の光ファイバと結合させる多ｉｎ１ｏｕｔのものも実用化されており、このような様々なコンバイナ３０を利用することができる。
さらに、光ファイバのコアの側面同士を光学的に接続した２×２の光カプラを組み合わせることで、挿入部１２の先端部に複数の光出射部３２を設けることができる。これにより、被写体Ｏに凹凸がある場合であっても、影がなく良好な観察画像を得ることが可能となる。さらに、３×３以上の光カプラなど、様々な光カプラを単独またはコンバイナと組み合わせて用いることが可能である。
＜光出射部３２＞
光出射部３２は、２つのレーザ２４及び２６から出射されたレーザ光を、照明用途に合わせて光学特性を調整し、照明光として挿入部１２の先端部から前方に出射する機能を有している。
例えば、光ファイバ４０を導光したレーザ光は直進性が高いため、照明光に適した放射角に拡げる必要がある。光出射部３２は、放射角や配光を適切に調整し、前方に効率良く光を出射させる機能を有している。そのために、光出射部３２には、透明な樹脂の中にアルミナ等屈折率の大きな粒子を分散させたもの、逆に微細な気泡など屈折率の小さな構造体を分散させたもの、表面に微細な凹凸を有するスリガラスなど、及びこれらの複合体、を利用することができる。また、配光や放射角を微調整するために、レンズ等の光学系を用いることも可能である。但し、光出射部３２は、レーザ光の波長を変更しないことが必要である。
＜撮像装置＞
撮像装置は、挿入部１２の先端部に設けられた撮像素子４２で構成されている。
本実施形態に係る内視鏡装置１０は、挿入部１２が人や動物の内部空間に挿入され、照明光の光量と比較して、自然光や室内光等の外光の光量が無視できる環境で撮像素子４２が利用されることを想定している。従って、撮像素子４２は、内部空間の被写体Ｏに向けて光出射部３２から出射された照明光の反射及び散乱光のみによる被写体Ｏの画像を取得する。撮像素子４２は、図５Ａ及び図５Ｂに示すように複数の画素７２を縦横に配置してなり、これら画素７２の前面にカラーフィルタ等の色分離機能を有さない、モノクロ２次元撮像素子である。
上述したように、光源制御回路２８は、波長約４０５ｎｍの青紫色レーザ光（第１波長狭帯域光）と波長約６６０ｎｍの赤色レーザ光（第２波長狭帯域光）とが光出射部３２から交互に出射されるように上記第１レーザ２４及び第２レーザ２６の駆動制御を行っている。よって、撮像装置である撮像素子４２は、第１波長狭帯域光が照明された状態では、当該第１波長狭帯域光に関する像光情報として４０５ｎｍ画像信号（第１波長画像信号）を選択的に取得することになる。また、第２波長狭帯域光が照明された状態では、当該第２波長狭帯域光に関する像光情報として６６０ｎｍ画像信号（第２波長画像信号）を選択的に取得することになる。
従って、撮像素子４２は、選択的に取得した第１波長画像信号と第２波長画像信号とを順次に、本体部１４に送信する機能を有する。
＜信号分配回路４４＞
信号分配回路４４は、被写体種決定回路４６には第１波長画像信号である４０５ｎｍ取得画像信号を送信し、明るさ指標値決定回路５０には第２波長画像信号である６６０ｎｍ取得画像信号を送信する。
この信号分配回路４４は、ハードウェアにより構成する場合、例えば、切替スイッチにより構成することができる。切替スイッチは、上記第１レーザ２４の駆動に同期して撮像素子４２からの信号線を被写体種決定回路４６への信号線に接続し、且つ、上記第２レーザ２６の駆動に同期して撮像素子４２からの信号線を明るさ指標値決定回路５０への信号線に接続するように、撮像素子４２からの信号線の接続先を切り替える。
＜被写体種記憶部４８＞
被写体種記憶部４８は、観察対象として予め想定される複数の想定被写体種と、各想定被写体種に対する想定被写体種指標値と、を記憶する。
食道、胃、大腸など生体内壁を内面から観察するにあたり、大きく分けて２種類の被写体エリアがある。１つは血管が存在する血管エリア、もう１つは血管が存在しない粘膜エリアである。
図６は、様々な被写体Ｏの分光反射スペクトルを示す図である。同図中、被写体種番号Ｍ１〜Ｍ１０は、粘膜エリアの代表的な分光反射率の例であり、被写体種番号Ｖ１〜Ｖ１０は、血管エリアの代表的な分光反射率の例である。全て同じ被写体距離、被写体角度で撮影されたものである。
それらのうち、あらゆるヒト（人種、年齢、性別）、もしくは、あらゆる状態（撮影時間帯、正常部、病変部、治癒部、治療部等）、あるいは、あらゆる場所（食道／胃／大腸などの各臓器、粘液／残渣／出血血液などの表層成分）、などの内壁スペクトル情報を予め一通り蓄積する。これら被写体種を簡単のために、図６では２０種に限ったが、その数に限定するものではない。あらゆる現象／場面／場所を想定して情報を蓄積すべきであり、その上で特徴あるスペクトルを抽出する。
生体内壁に関する色味は、血管の有無に関わらず、ヘモグロビンによる光吸収が支配的であり、赤みの強い部分がほとんどである。図７は、生体内壁の主な吸収色素である酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンの分光吸収スペクトルを示している。
被写体Ｏとして限られる今回のような観察対象を色再現性良く表示する場合、ブロードスペクトルであり、演色性の良い照明を照射するよりも、波長が正確に特定できる安定的な狭スペクトル光のみを照射し、その波長に関する詳細で正確な被写体分光反射率情報を取得することで、想定される被写体種と明るさを特定することができ、色再現性の良い画像を構築できる。
特に、医療用内視鏡装置は閉空間を観察対象としているため、想定されない照明光は略入光されず、一般的な内視鏡装置よりもより詳細で正確な被写体分光反射率情報を取得することができる。
図８は、生体内壁の代表的な被写体例を示している。生体内壁には、主に、粘膜エリア７６と血管エリア７８という被写体Ｏの種類がある。粘膜エリア７６においては、襞の状況、粘膜形態、臓器部位の違い、正常部／病変部の違いなどにより、色みが若干異なる。また、血管エリア７８に関しては、血管の太さ、深さ、静脈／動脈の違い、臓器部位の違い、正常部／病変部の違いなどにより、同様に色みが異なる。
そもそもカラー画像として映し出される被写体像は、大きく、輝度信号（明るさ）と色度信号（色み）の２つの項目で構成されている。明るさを決める主な要因は、被写体Ｏの撮像素子４２からの距離、撮像素子４２が有する撮像面と被写体表面との相対角度、照明が照射される光量、配光分布、撮像素子分光感度特性などによって変わる。また、色みに関しては、被写体Ｏの種類によって主に変わる。従って、被写体Ｏの種類と明るさとを正確に把握することができれば、演色性の良い照明を照射せずに色再現性の良い表示画像を作り出すことができる。
図７に示すように、可視光波長付近において、ヘモグロビンの吸収が支配的であり、被写体の種類によって取得信号値が大きく変動する吸光度１０以上の波長領域は、酸化及び還元ヘモグロビン共に４００〜４５０ｎｍ付近である。逆に、吸光度の低く被写体の種類によっては取得信号値の変動がほとんど無視できる吸光度１以下の波長領域は、酸化ヘモグロビンの場合は６００ｎｍ以上、還元ヘモグロビンの場合は６６０ｎｍ以上ということになる。従って、酸化及び還元ヘモグロビン共に吸収がほぼ無くなるのは、６６０ｎｍ以上ということになる。よって、生体内壁が被写体Ｏである場合、被写体Ｏの種類に依存せずに明るさを特定できる波長は、６６０ｎｍ以上ということになる。また、この波長領域の照明光を生体内壁に照射した場合、生体から比較的効率良く反射されるため、少ない光量で明るさ識別が容易であり、駆動電力を下げたり、光量調整を適正に行うことで暗い部分に対しても正確に明るさに関する情報を取得することができたりすることも利点として挙げられる。
一方、色みに関しては、主要な色素であるヘモグロビンの濃度を詳細且つ正確に取得するには、ヘモグロビンの濃度によって反射率が最も大きく変化する４００〜４５０ｎｍの波長が望ましい。
本実施形態では、明るさ指標値及び想定被写体種指標値としての各狭スペクトル光波長を決定するにあたり、変動係数及び相対変動係数というパラメータを導入する。ここで、変動係数とは、想定される複数の被写体種に対する分光反射率の各波長に対する標準偏差を、同じく各波長に対する算術平均で割ったもの（百分率）とする。図９は、各波長における変動係数の例を示している。また、可視光である３８０〜７８０ｎｍのうち、最も変動係数の高い波長における変動係数で全ての波長における変動係数を除算したものを相対変動係数（百分率）とする。図１０は、各波長における相対変動係数の例を示している。
明るさ指標値に関しては、血管エリア７８や粘膜エリア７６など被写体Ｏの種類に存せず撮像素子４２と被写体Ｏの距離や角度などで決まる特性であるため、変動係数は小さければ小さいほど純粋にその場所の明るさを特定でき望ましい。実際に使用する際には、相対変動係数が２０％以下の波長の狭帯域光を用いるのが望ましい。なぜなら、その波長帯の狭帯域光を用いることによって、被写体Ｏの種類によっては反射率があまり変動せず、被写体Ｏの距離や角度のみに由来する明るさ情報を効率的に取り出せるからである。図１０によると、６６０ｎｍ以上が相対変動係数が２０％以下となっており、望ましい。
一方、想定被写体種指標値に関しては、血管エリア７８や粘膜エリア７６など被写体Ｏの種類を正確に特定するべきである。したがって、相対変動係数が高ければ高いほど純粋にその場所における被写体Ｏの種類を反映した数値となり望ましい。実際に使用する際には、相対変動係数が８０％以上の波長の狭帯域光を用いるのが望ましい。なぜなら、その波長帯の狭帯域光を用いることによって、被写体Ｏの種類によって大きく反射率が変動するため、被写体Ｏを正確に特定することができるからである。図１０によると、４００〜４５０ｎｍが相対変動係数が８０％以下となっており、望ましい。
ただし、相対変動係数が高い波長領域でも被写体Ｏの距離や角度には影響されるため、撮像素子４２が取得する信号値は、それら被写体種に寄らないパラメータにより変動してしまう。したがって、これだけでは、想定被写体種指標値にはなり得ず、演算が必要である。被写体種に寄らないパラメータは、明るさ指標値で抽出できているため、実際に使用する想定被写体種指標値としては、このパラメータで除算した数値とすることが望ましい。
図１１は、図６に示した想定されている被写体種が有する想定分光反射率に対し、被写体種に寄らないパラメータである６６０ｎｍにおける反射率で正規化（それぞれの分光反射率を６６０ｎｍにおける反射率で割ったもの）した相対分光反射率を示している。なお、図１１に示した被写体種番号Ｖのスペクトルはヒト内臓内壁のあらゆる臓器に存在する血管エリア７８のスペクトルの例であり、被写体種番号Ｍのスペクトルは同じく粘膜エリア７６のスペクトル例である。当然、血管エリア７８の方がヘモグロビン濃度が高く、赤みの強い色味を形成している。
ただし、明るさは、上記に挙げたヘモグロビン濃度以外の状況により大きく変化するため、その状況による明るさ変動をキャンセルする必要がある。そのため、想定被写体種指標値としては、明るさを特定できる６６０ｎｍ以上の波長との比である以下の（１）式を用いるのが良い。
４００〜４５０ｎｍの１波長レーザ光÷６６０ｎｍ以上の１波長レーザ光 …（１）
本実施形態では、相対変動係数が８０％以上の波長の狭帯域光（第１波長狭帯域光）として波長約４０５ｎｍの青紫色レーザ光を、また、相対変動係数が２０％以下の波長の狭帯域光（第２波長狭帯域光）として波長約６６０ｎｍの赤色レーザ光を、それぞれ採用している。従って、本実施形態では、上記（１）式は、以下の（２）式となる。
４０５ｎｍの波長レーザ光÷６６０ｎｍの波長レーザ光 …（２）
この値を「想定被写体種指標値」として４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値と称することとする。
そして、被写体種記憶部４８には、図１２に示すように、４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値各値に対する被写体種番号が、第１データテーブルとして記憶されている。
＜明るさ指標値決定回路５０＞
明るさ指標値決定回路５０は、信号分配回路４４により分配された撮像素子４２からの第２波長画像信号である６６０ｎｍ取得画像信号を受信し、その信号値をパラメータとして、明るさ指標値を決定する。
前述の通り、生体内壁を観察する内視鏡装置１０の場合、被写体Ｏの種類に依存しないで物体の明るさを正確に特定できる波長は６６０ｎｍ以上である。そのため、明るさ指標値決定回路５０は、信号分配回路４４から６６０ｎｍ取得画像信号値を受信し、明るさ指標値としてそのまま被写体種決定回路４６及び表示画像決定回路５２に送信する。
すなわち、図５Ａを参照して前述したように、撮像素子４２は複数の画素７２を備えており、６６０ｎｍ取得画像信号値として各画素７２の信号値が順に連続して送信されてくる。被写体種決定回路４６及び表示画像決定回路５２において、画素毎に想定被写体種及び表示画像を決定する場合には、明るさ指標値決定回路５０は、図５Ａに示すように、明るさ指標値の決定単位７４を１×１画素サイズとして、明るさ指標値を決定する。
一方、被写体種決定回路４６及び表示画像決定回路５２として処理能力又は処理速度の劣る構成を取らざるを得ない場合には、明るさ指標値決定回路５０は、複数画素毎に想定被写体種及び表示画像を決定する。例えば、明るさ指標値決定回路５０は、図５Ｂに示すように、明るさ指標値の決定単位７４を４×４画素サイズとして、明るさ指標値を決定する。ただしこの場合には、信号分配回路４４により分配された撮像素子４２からの６６０ｎｍ取得画像信号値を一旦、内部メモリ（図示せず）に記憶した上で、明るさ指標値の決定単位７４の信号値の平均を取るなどとして明るさ指標値を決定することが必要である。
＜被写体種決定回路４６＞
被写体種決定回路４６は、受信した４０５ｎｍ画像信号と明るさ指標値とを演算した数値を単数又は複数の画素毎の想定被写体種指標値として、上記単数又は複数の画素毎に被写体種番号を決定し、その情報を表示画像決定回路５２に送信する役割を果たす。
すなわち、被写体種決定回路４６は、信号分配回路４４により分配された撮像素子４２からの第１波長画像信号である４０５ｎｍ取得画像信号を受信し、一旦、内部メモリ（図示せず）に記憶する。その後、被写体種決定回路４６は、明るさ指標値決定回路５０から単数又は複数の画素毎のパラメータである明るさ指標値を受信すると、想定被写体種指標値を算出する。すなわち、被写体種決定回路４６は、内部メモリに記憶した４０５ｎｍ取得画像信号を画素毎に読み出して、その信号値と明るさ指標値との比である４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値を算出する。あるいは、被写体種決定回路４６は、内部メモリに記憶した４０５ｎｍ取得画像信号を複数の画素毎に読み出して、各複数画素毎に例えばその平均値を算出し、その算出した値と明るさ指標値との比である４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値を算出する。そして、この算出した４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値に基づいて、被写体種記憶部４８に記憶されている第１データテーブルを参照して、単数または複数の画素毎の被写体種番号を決定する。
＜表示画像決定回路５２＞
表示画像決定回路５２は、被写体種決定回路４６により決定された単数または複数の画素毎の被写体種番号と明るさ指標値決定回路５０により決定された単数または複数の画素毎の明るさ指標値とを受信し、それらの値により表示画像記憶部５４に記憶されている後述するような第２データテーブルを参照することで、一義的に単数または複数の画素毎の表示画像信号値を決定する。そして、表示画像決定回路５２は、決定した表示画像信号を、表示部１６に出力する。これにより、特定の被写体Ｏに対し色再現性の良い表示画像を表示部１６に表示することができる。
＜表示画像記憶部５４＞
表示画像記憶部５４は、図１３に示すように、被写体種番号と明るさ指標値に対する表示画像信号値を示す第２データテーブルを記憶している。ここで、明るさ指標値に関しては、本実施形態では、画像信号値を採用しているため、０以上の整数としている。
上記表示画像決定回路５２は、受信した被写体種番号と明るさ指標値をパラメータとして、このような表示画像記憶部５４の第２テーブルを参照して表示画像信号値つまり表示色を選び出すことができる。
このようにすることで、単数または複数の狭帯域光でありかなり低い演色性照明であっても、色再現性の良い画像を構築することができる。
この場合、図６に示すような詳細なスペクトル情報を表示画像記憶部５４内に記憶させておく必要はなく、図１３のように、特定される被写体種番号に対応する表示色が適切に選択されて、記憶されていれば良い。
ここで、表示画像記憶部５４内に記憶させておくべき色再現性の良い表示色を計算する方法を以下に説明する。
画素毎に明るさ指標値が正確に特定されているため、その対象画素に入力されている６６０ｎｍレーザ光量で除算することで、その対象画素における被写体Ｏに対する６６０ｎｍ分光反射率が計算される。
一方、画素毎に被写体種も特定されているため、それに対応する正規化分光スペクトルは予めわかっている。したがって、正規化分光スペクトルに６６０ｎｍ分光反射率を乗算することで、その対象画素における被写体Ｏに対する分光反射率が計算される。対象画素における被写体Ｏに対する分光反射率がわかれば、高演色性照明である標準光源の入射強度スペクトル、撮像素子分光感度スペクトル等、予め測定することが可能なパラメータを計算することで、被写体Ｏに高演色性照明を照射したときの取得画像信号を得ることができる。詳しい計算式を以下に示す。
ここで、対象画素における標準光源の入射強度スペクトルをｅ（λ）、撮像素子分光感度スペクトルをｓ（λ）、撮像素子４２が有するカラーフィルタ分光透過率を３原色それぞれｆＲ（λ），ｆＧ（λ），ｆＢ（λ）、対象画素において特定された被写体種番号に対応する６６０ｎｍ正規化分光スペクトルをｔ（λ）、明るさ指標値をＹ、対象画素における６６０ｎｍ入射光量をＬ６６０、撮像素子光電変化率やアンプ効率等に起因する係数をａ、とする。このような定義において、標準光源を現在観察している被写体Ｏに対して照射したときの３原色それぞれの取得画像信号ｇＲ、ｇＧ、ｇＢは、以下の（３）式で表される。
Figure 2017046857
なお、上記標準光源としては、高演色光源である、キセノン光源、ハロゲン光源、黒体放射スペクトル、太陽光、またはＪＩＳ等で定められている太陽光を模した擬似太陽光スペクトル光源、などが特に望ましい。
以下、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０の動作を、図１４のフローチャートを参照して、さらに説明する。図示しない入力部の操作スイッチ等により操作者から当該内視鏡装置１０による観察の開始が指示されると、図示しない制御部の制御により、このフローチャートの動作が開始される。
まず、光源制御回路２８は、第１レーザ２４を駆動して、波長約４０５ｎｍの青紫色レーザ光（第１波長狭帯域光）を照明光として挿入部１２の先端部から前方の被写体Ｏに出射させる（ステップＳ１０）。これにより、撮像装置である撮像素子４２は、４０５ｎｍ画像信号（第１波長画像信号）を取得する（ステップＳ１２）。そして、信号分配回路４４は、撮像素子４２により取得した４０５ｎｍ画像信号を被写体種決定回路４６へ分配し、当該被写体種決定回路４６に４０５ｎｍ画像信号値を記憶させる（ステップＳ１４）。
次に、光源制御回路２８は、駆動するレーザを第１レーザ２４から第２レーザ２６に切り替え、波長約６６０ｎｍの赤色レーザ光（第２波長狭帯域光）を照明光として挿入部１２の先端部から前方の被写体Ｏに出射させる（ステップＳ１６）。これにより、撮像装置である撮像素子４２は、６６０ｎｍ画像信号（第２波長画像信号）を取得する（ステップＳ１８）。そして、信号分配回路４４は、撮像素子４２により取得した６６０ｎｍ画像信号を明るさ指標値決定回路５０へ分配する（ステップＳ２０）。
明るさ指標値決定回路５０は、信号分配回路４４を介して撮像素子４２から受信した６６０ｎｍ取得画像信号値をパラメータとして、明るさ指標値を決定し、その決定した明るさ指標値を被写体種決定回路４６及び表示画像決定回路５２に送信する（ステップＳ２２）。
被写体種決定回路４６は、単数又は複数の画素毎に、記憶した４０５ｎｍ取得画像信号値と明るさ指標値決定回路５０から受信した明るさ指標値とにより、被写体種番号を決定する（ステップＳ２４）。すなわち、被写体種決定回路４６は、単数又は複数の画素毎に、４０５ｎｍ取得画像信号値と明るさ指標値との比である４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値を算出する。そして、被写体種決定回路４６は、この４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値に基づいて、被写体種記憶部４８に記憶されている第１データテーブルを参照して、単数または複数の画素毎の被写体種番号を決定する。被写体種決定回路４６は、こうして決定した単数または複数の画素毎の被写体種番号を表示画像決定回路５２に送信する。
表示画像決定回路５２は、被写体種決定回路４６により決定された被写体種番号と明るさ指標値決定回路５０により決定された明るさ指標値に基づいて、表示画像記憶部５４に記憶されている第２データテーブルを参照して、単数または複数の画素毎の表示画像信号値を決定する（ステップＳ２６）。そして、表示部１６は、表示画像決定回路５２からの表示画像信号に従って、特定の被写体Ｏに対し色再現性の良い表示画像を表示する（ステップＳ２８）。
その後、図示しない入力部の操作スイッチ等により操作者から当該内視鏡装置１０による観察の終了が指示されるまで（ステップＳ３０）、図示しない制御部の制御により、上記ステップＳ１０乃至ステップＳ２８の動作が繰り返される。
以上のように、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０は、被写体Ｏに照明光を照射する照明装置２０と、被写体Ｏからの像光を複数の画素で撮像することにより取得画像信号を生成する撮像装置である撮像素子４２と、上記取得画像信号を基に表示画像信号を構築する画像処理回路２２と、を備えており、特に、照明装置２０は、互いにピーク波長の異なる第１波長狭帯域光及び第２波長狭帯域光を出射し、画像処理回路２２は、観察対象として予め想定される複数の想定被写体種を記憶する被写体種記憶部４８と、少なくとも第１波長狭帯域光が照明された状態で撮像素子４２により第１波長狭帯域光に関する像光情報として選択的に取得された第１波長画像信号と、少なくとも第２波長狭帯域光が照明された状態で撮像素子４２により第２波長狭帯域光に関する像光情報として選択的に取得された第２波長画像信号と、被写体種記憶部４８の複数の想定被写体種と、に基づいて単数または複数の画素について想定被写体種を決定する、被写体種決定回路４６と、を有している。
よって、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０によれば、離散的な狭帯域光つまり波長欠落領域６２のある低演色性照明光を用いた光源装置を使用しているにもかかわらず、観察している被写体を特定することができる。
また更に、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０は、第２波長画像信号から明るさ指標値を決定する明るさ指標値決定回路５０と、上記決定した想定被写体種及び明るさ指標値により、表示画像信号を決定する表示画像決定回路５２と、を有している。このように想定被写体種と明るさ指標値より観察用の表示画像を決定することで、想定被写体種の色にあった画像を得ることができる。つまり、離散的な狭帯域光つまり波長欠落領域６２のある低演色性照明光を用いた光源装置を使用しているにもかかわらず、観察用の表示画像についてその色再現性を向上し、標準光源を用いた内視鏡装置により得られる画像と同様の画像を構築することが可能となる。特に、狭帯域光として、波長幅の特に狭いレーザ光を照明光に用いるような、撮像素子４２が検出可能な領域のほとんどが波長欠落領域６２である内視鏡装置１０であっても、実際の生体色にあった画像を実現することが可能となる。
従来は、標準光源からのブロードスペクトル照明光より取得した取得画像信号に対し特定部位が強調表示されるように、狭スペクトル光を照射したときの画像をブロードスペクトル照明画像より推定する技術が開発されてきた（例えば、特開２０１１−１９４０８２号公報）。これに対して、本実施形態に係る内視鏡装置１０では、レーザ光のような狭帯域光を照明光として利用し、波長的には離散的であるが正確な分光被写体情報を取得し、それを元に高色再現性の画像を構築する技術を新たに提案している。
また、当業者間の共通認識として、用いている照明光に波長欠落部分がある場合、高色再現性の画像を構築するためには、その部分を補完する目的で新たにＬＥＤを追加するなど、波長欠落部分をなくしてきていた（例えば、特開２０１２−７０８３９号公報）。しかし、本実施形態に係る内視鏡装置１０では、白色光も作り出せず、波長欠落部分が大部分を占める低演色照明を用いて、高色再現画像が構築可能な技術を提案している。
また、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０では、被写体種記憶部４８は、観察対象として予め想定される複数の想定被写体種として、人もしくは動物の体内に対する想定被写体種を記憶しているため、人もしくは動物の体内を被写体Ｏと想定している医療内視鏡に対して高色再現性画像を実現することができる。
また、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０では、複数の想定被写体種に照明が照射された光量のうち撮像素子４２に入射される波長ごとの光量の割合を複数の想定分光反射率とすると、それら複数の想定分光反射率に関する第２波長の変動係数は、想定分光反射率に関する第１波長の変動係数よりも小さい。すなわち、想定分光反射率に関する相対変動係数が小さい第２波長の波長狭帯域光を照射したときの画像信号を用いることで、被写体Ｏのエリアごとの種類によらず、その場所の明るさを特定することができるため、高色再現性画像を実現することができる。
また、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０では、想定被写体種が含む吸収色素に対する第２波長の吸光度は、第１波長の吸光度よりも小さい。すなわち、想定被写体種が含む吸収色素に対する吸光度が小さい第２波長の波長狭帯域光を照射したときの画像信号を用いることで、被写体Ｏのエリアごとの種類によらず、その場所の明るさを特定することができるため、高色再現性画像を実現することができる。また、この第２波長の波長狭帯域光を被写体Ｏに照射した場合、被写体Ｏから比較的効率良く反射されるため、少ない光量で明るさ識別が容易であり、駆動電力を下げたり、光量調整を適正に行うことで暗い部分に対しても正確に明るさに関する情報を取得することができたりする。
さらに、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０では、上記第２波長狭帯域光は、前記複数の想定分光反射率に関する変動係数が最大となる波長を相対変動係数が１００％であるとした時、相対変動係数が２０％以下となる波長狭帯域光を用いている。すなわち、被写体Ｏの分光反射率に対する相対変動係数が２０％以下と小さい波長狭帯域光を照射したときの画像信号を明るさ指標値としている。これにより、被写体Ｏのエリアごとの種類によらず、その場所の明るさを特定することができるため、高色再現性画像を実現することができる。
また、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０では、第１波長狭帯域光として、相対変動係数が８０％以上となる波長狭帯域光を用い、被写体種指標決定回路４６は、第１波長画像信号及び明るさ指標値から導かれる演算値である想定被写体種指標値に基づいて、被写体種記憶部４８に記憶されている複数の想定被写体種から、単数もしくは複数の画素について、適切な想定被写体種を選定する。このように、被写体Ｏの分光反射率に対する相対変動係数が８０％以上と大きい波長狭帯域光を照射したときの画像信号を想定被写体種指標値に用いるパラメータとしているため、被写体Ｏのエリアごとの種類に大きく依存する指標が得られ、被写体種を特定し、高色再現性画像を実現することができる。
なお、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０では、明るさ指標値を用いた演算は、明るさ指標値で除算される計算としている。つまり、複数波長光を照射したときに得られる複数画像信号値同士の比を想定被写体種指標値としていることで、被写体色とは無関係である明るさ成分を除去した指標となり、それを基に被写体種を特定しているため、被写体種に対する特定精度が良い。
ここで、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０では、被写体は、吸収色素としてヘモグロビンを含み、第２波長狭帯域光は、６６０ｎｍ以上の波長狭帯域光としている。このように、ヘモグロビンをほとんど吸収しない６６０ｎｍ以上の１波長レーザから取得される画像信号を想定被写体種指標値の一部としていることで、被写体種とは無関係な明るさ成分が除かれるため、被写体種の決定精度が高い。また、６６０ｎｍ以上の１波長レーザから取得される画像信号を明るさ指標値としていることで、主な生体内壁の主な色素であるヘモグロビンの吸収をほとんど受けない明るさ指標値が得られるため、明るさ精度が高い。
また、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０では、第１波長狭帯域光は、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ間の１波長の波長狭帯域光としている。このように、ヘモグロビンが効率良く吸収する４００ｎｍ〜４５０ｎｍ台の１波長レーザから取得される画像信号を想定被写体種指標値の一部としているため、被写体の微妙な色差も区別でき、被写体種の決定精度が高い。
また、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０では、波長狭帯域光としてレーザ光を用いている。このように、波長幅数ｎｍ以下の狭帯域光であるレーザを用いているため、特定の波長に対する分光反射率を高精度に把握することができ、被写体種を正確に特定することができる。
なお、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０では、表示画像決定回路５２は、被写体種番号と明るさ指標値に基づいて、表示画像記憶部５４に記憶されている第２データテーブルを参照して、単数または複数の画素毎の表示画像信号値を決定する。このように、表示画像記憶部５４が被写体種と明るさ指標値から表示画像信号を決定できるテーブルを有しているため、プロセッサに大きな負担をかけず迅速に表示画像を決定することができる。
また、本第１実施形態に係る内視鏡装置１０では、標準光源として、キセノン光源、ハロゲン光源、黒体放射スペクトル、太陽光、または太陽光を模した擬似太陽光スペクトル光源を選択しているため、実際には非常に低演色である照明を用いているにもかかわらず、高色再現を実現することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。ここでは、前述の第１実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。
本第２実施形態に係る内視鏡装置１０は、図１５に示すように、照明光として３波長のレーザを用い、該３波長のうち１波長のレーザ光から取得された取得画像信号を用いて明るさ指標値を決定し、被写体種特定には該３波長のうちの残りの２波長のレーザ光から取得された取得画像信号を用いて被写体種を決定するというものである。
すなわち、本第２実施形態に係る内視鏡装置１０は、第１実施形態に係る内視鏡装置１０に対し、第１波長狭帯域光及び第２波長狭帯域光とは波長の異なる第３波長狭帯域光を出射する第３レーザ８０と、該第３レーザ８０から出射された第３波長狭帯域光をコンバイナ３０に導光する光ファイバ８２と、を追加している。また、コンバイナ３０は、第１実施形態における２ｉｎ１ｏｕｔのものから３ｉｎ１ｏｕｔのものに変更されている。
そして、信号分配回路４４は、上記第３波長狭帯域光が照明された状態で、当該第３波長狭帯域光に関する像光情報として撮像素子４２によって選択的に取得された第３波長画像信号については、被写体種決定回路４６に送信するよう構成されている。
また、被写体種記憶部４８は、第１データテーブルに代えて、第１想定被写体種指標値と第２想定被写体種指標値に対する被写体種番号を示す第３データテーブルを記憶している。そして、被写体種決定回路４６は、第１及び第３波長画像信号値と明るさ指標値とから単数又は複数の画素毎に第１及び第２想定被写体種指標値を算出して、それら第１及び第２想定被写体種指標値に基づいて、被写体種記憶部４８の第３データテーブルを参照して単数又は複数の画素毎に被写体種番号を決定する。
なお、表示画像決定回路５２に関しては、後述するように想定被写体の数が増えるため、第２データテーブルの大きさは増加するが、基本的には同様である。
観察する部位が限定された内視鏡製品の場合、想定される被写体種が限られるため、レーザ波長は第１実施形態のように２波長で十分な場合がある。ただし、観察する部位や種類が広範囲または多種に渡る想定の内視鏡製品の場合、想定される被写体種も多くなり、それらを正確に選定するには、レーザ本数を追加することで、被写体種特定精度を維持する必要がある。
図１６は、想定被写体種が増加した場合の、様々な被写体Ｏの分光反射スペクトルを示している。同図は、体内に残存している残渣（主要色素：ビリルビン）を新たに想定被写体種として加えたものである。すなわち、同図中、被写体種番号Ｍ１〜Ｍ１０は、粘膜エリアの代表的な分光反射率の例であり、被写体種番号Ｖ１〜Ｖ１０は、血管エリアの代表的な分光反射率の例であり、被写体種番号Ｓ１〜Ｓ１０は、残渣エリアの代表的な分光反射率の例である。全て同じ被写体距離、被写体角度で撮影されたものである。
図１７は、各波長における相対変動係数の例を示している。
本第２実施形態に係る内視鏡装置１０も、生態内壁を観察対象とする内視鏡装置であるため、被写体Ｏにおける主成分はヘモグロビンである。よって、波長選定としては、第１実施形態と同様、４０５ｎｍ及び６６０ｎｍで好ましい。ただし、本実施形態では、想定被写体にヘモグロビンを主吸収としない物質が加えられたため、この２波長では被写体特定が困難となる。
そこで、本実施形態では、第２パラメータを導入する。
まず、図１８に示すように、第２波長である４０５ｎｍにおける分光反射率がほぼ同値となるスペクトル同士を全てピックアップする。同図のように、ビリルビンは、青領域を良く吸収し、緑領域及び赤色領域を透過もしくは反射する特性を示すのに対して、ヘモグロビンは、青領域及び緑領域を良く吸収する。
図１９は、ピックアップされた想定被写体分光反射率スペクトル群（第２想定被写体群）に対する相対変動係数を示している。ビリルビン由来の被写体なのかヘモグロビン由来の被写体なのかを特定するには、第１実施形態と同様の理由で、相対変動係数が８０％以上が望ましく、同図より、４９０〜５７５ｎｍの波長領域を設定することが好ましい。
したがって、本第２実施形態においては、想定被写体種指標値は、以下の第１及び第２の想定被写体種指標値という２つのパラメータとする。
すなわち、第１パラメータである第１想定被写体種指標値としては、上記第１実施形態と同様の
４００〜４５０ｎｍの１波長レーザ光÷６６０ｎｍ以上の１波長レーザ光
が好ましく、第２パラメータである第２想定被写体種指標値としては、
４９０〜５７５ｎｍの１波長レーザ光÷６６０ｎｍ以上の１波長レーザ光 …（４）
とすることが好ましい。
本実施形態の場合、４９０〜５７５ｎｍの１波長レーザ光としては、５３０ｎｍのレーザを用いることとする。すなわち、第３レーザ８０は、波長約５３０ｎｍの緑色レーザ光（第３波長狭帯域光）を出射するマルチモード型半導体レーザを使用する。そして、被写体種決定回路４６は、想定被写体種指標値として４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値（第１想定被写体種指標値）及び５３０ｎｍ／６６０ｎｍ信号値（第２想定被写体種指標値）を算出する。
被写体種決定回路４６に信号線を介して接続されている被写体種記憶部４８には、特定の４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値及び５３０ｎｍ／６６０ｎｍ信号値を入力することで被写体種が返される被写体種番号が記憶されている。すなわち、被写体種記憶部４８には、図２０に示すように、第１想定被写体種指標値である４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値と第２想定被写体種指標値である５３０ｎｍ／６６０ｎｍ信号値とに対する、被写体種番号を示す第３データテーブルが記憶されている。
被写体種決定回路４６は、算出された４０５ｎｍ／６６０ｎｍ信号値及び５３０ｎｍ／６６０ｎｍ信号値に対する「被写体種番号」を、被写体種記憶部４８に記憶されている上記第３データテーブルから読み取り、表示画像決定回路５２に送信する。
なお、図２０に示す第３データテーブルにおいて、「Ｅ１」は想定していない被写体であり、予想できない。このような場合、２通りの解決方法がある。
第１の解決方法は次の通りである。すなわち、被写体種番号Ｅ１が決定された単数又は複数の画素の箇所は、生体内壁に由来する被写体ではないことが想定されるため、色再現性が無くとも観察には直接影響しない。そこで、表示画像記憶部５４の第２データテーブルには、被写体種番号Ｅ１について、明るさ指標値によらず灰色もしくは黒色を示す表示画像信号値を設定しておく。これにより、表示画像決定回路５２は、被写体種番号Ｅ１の領域を目立たないよう灰色もしくは黒色で一律表示させる表示画像信号を構築して、表示部１６に表示させる。
第１の解決方法は次の通りである。すなわち、表示画像記憶部５４の第２データテーブルには、被写体種番号Ｅ１については表示画像信号値を設定せず、表示画像決定回路５２は、４０５ｎｍ画像信号値を表示画像信号のＢチャンネルに、５３０ｎｍ画像信号値を表示画像信号のＧチャンネルに、６６０ｎｍ画像信号値を表示画像信号のＲチャンネルに、そのまま割り当てて、表示部１６に表示させる。
以上のように、本第２実施形態に係る内視鏡装置１０においては、被写体種決定回路４６は、第１想定被写体種指標値（第１パラメータ）に加えて、第１及び第２波長狭帯域光とは波長の異なる第３波長狭帯域光に関する像光情報を選択的に取得した第３波長取得画像信号から、明るさ指標値を用いた演算値である第２想定被写体種指標値（第２パラメータ）に基づいて、適切な想定被写体種を選定し、第１パラメータがほぼ同値の複数の想定被写体を第２想定被写体群とすると、第３波長狭帯域光は、第２想定被写体群の想定分光反射率のうち、互いの想定分光反射率の値に対する変動係数が最大となる波長を第２相対変動係数が１００％であるとした時、第２相対変動係数が８０％以上となる波長狭帯域光であるようにしている。
よって、本第２実施形態に係る内視鏡装置１０によれば、第１パラメータがほぼ同値の想定被写体種に対して、それらをピックアップした複数の想定被写体群で再び、相対変動係数が８０％以上と高い波長狭帯域光を第２パラメータとし、二種類の指標で想定被写体種を特定しているため、さらに正確な特定が可能となり、高色再現性画像が得られる。すなわち、単数または複数の狭帯域光でありかなり低い演色性照明であっても、色再現性の良い画像を構築することができる。
また、本第２実施形態に係る内視鏡装置１０では、表示画像決定回路５２は、被写体種決定回路４６によって想定被写体種を決定できない場合、表示画像信号における該当箇所を黒色または灰色で表示するよう決定する。したがって、予め記憶している想定被写体種に該当しない画素について、黒色または灰色で表示させているため、想定できなかった画素に対して、目立たない色で表示させており、観察への影響が低減される。
あるいは、本第２実施形態に係る内視鏡装置１０では、表示画像決定回路５２は、被写体種決定回路４６によって想定被写体種を決定できない場合、第１乃至前記第３波長狭帯域光のうち、４５０ｎｍに最も近い波長の波長狭帯域光に関する画像信号について、表示画像信号の中の青色チャンネルに割り当て、５５０ｎｍに最も近い波長の波長狭帯域光に関する画像信号について、表示画像信号の中の緑色チャンネルに割り当て、６５０ｎｍに最も近い波長の波長狭帯域光に関する画像信号について、表示画像信号の中の赤色チャンネルに割り当てる。このように、予め記憶している想定被写体種に該当しない画素について、４５０ｎｍに最も近い波長の狭帯域光に関する画像について表示画像の中の青色チャンネルに割り当て、５５０ｎｍに最も近い波長の狭帯域光に関する画像について緑色チャンネルに割り当て、６５０ｎｍに最も近い波長の狭帯域光に関する画像について赤色チャンネルに割り当てているため、想定できなかった画素に対して、高演色でないものの、本来の色に近い色で表示させることができ、観察への影響が低減される。
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
例えば、上記第１及び第２実施形態では、狭帯域光を出射する光源としてマルチモード半導体レーザを用いる例のみを示したが、これに限定するものではない。固体レーザ、ガスレーザ、ＳＨＧ素子等と組み合わせた複合型半導体レーザ、などの様々なレーザを用いることができる。さらに、Ｓレーザ（スーパールミネッセントダイオード）やＬＥＤなどを用いることができる。ＬＥＤやレーザと蛍光体を組み合わせた光源であって、波長欠落領域６２が存在するような光源も好適である。
シングルモードレーザを用いると、狭帯域光のピーク波長が安定であるため、被写体種決定や明るさ指標値決定の精度が向上する。一方、マルチモードレーザを用いると、高光量の狭帯域光を出射できるため、広い空間を照明するような場合に有効である。
なお、本明細書において、狭帯域光を定義する場合、その光源が有するスペクトル幅が半値全幅（ＦＷＨＭ）で５０ｎｍ以下とする。
また、上記第１及び第２実施形態では、モノクロの撮像素子４２を用いたが、それに限定するものではない。カラーフィルタの設置されたカラー撮像素子を用い、同時に２波長を照明し、カラーフィルタ種の異なる画素で、それぞれの波長で照明された画像信号を取得することも可能である。
また、信号分配回路４４は、被写体種決定回路４６に６６０ｎｍ画像情報も送信しても良い。その代わり、明るさ指標値決定回路５０から被写体種決定回路４６へ明るさ指標値を送信することを省略する。この場合、信号分配回路４４のハードウェア構成としては、撮像素子４２からの信号線を２分岐し、分岐した一方は被写体種決定回路４６への信号線に接続し、他方は光源制御回路２８による第２レーザ２６の駆動に同期して導通するスイッチを介して明るさ指標値決定回路５０への信号線に接続する。また、被写体種決定回路４６は、信号分配回路４４を介して受信する撮像素子４２からの取得画像信号を、光源制御回路２８による、第１実施形態であれば第１及び第２レーザ２４及び２６のそれぞれの駆動に同期して、また第２実施形態であれば第１乃至第３レーザ２４、２６及び８０のそれぞれの駆動に同期して記憶する、内部メモリを備えれば良い。
その他、様々な変形や応用が可能である。
１０…内視鏡装置、 １２…挿入部、 １４…本体部、 １６…表示部、 １８…接続部、 ２０…照明装置、 ２２…画像処理回路、 ２４…第１レーザ、 ２６…第２レーザ、 ２８…光源制御回路、 ３０…コンバイナ、 ３２…光出射部、 ３４，３６，３８，４０，８２…光ファイバ、 ４２…撮像素子、 ４４…信号分配回路、 ４６…被写体種決定回路、 ４８…被写体種記憶部、 ５０…明るさ指標値決定回路、 ５２…表示画像決定回路、 ５４…表示画像記憶部、 ５６…ピーク波長、 ５８，６０…レーザ光スペクトル、 ６２…波長欠落領域、 ６４，６８…コア、 ６６，７０…クラッド、 ７２…画素、 ７４…明るさ指標値の決定単位、 ７６…粘膜エリア、 ７８…血管エリア、 ８０…第３レーザ。
本発明の内視鏡装置の一態様は、互いにピーク波長の異なる第１波長狭帯域光及び第２波長狭帯域光を被写体に照射する照明装置と、上記被写体からの像光を複数の画素で撮像することにより取得画像信号を生成する撮像装置と、表示画像信号を構築する画像処理回路とを備える。上記画像処理回路は、複数の想定被写体種を記憶している記憶部と、前記取得画像信号に含まれる、上記第１波長狭帯域光に関する像光情報である第１波長画像信号と、前記第２波長狭帯域光に関する像光情報である第２波長画像信号と、前記記憶部に記憶されている前記複数の想定被写体種とに基づいて、前記複数の画素の一部について前記想定被写体種を決定する被写体種決定回路を有しており、前記撮像装置によって生成された前記取得画像信号と前記被写体種決定回路によって決定された前記想定被写体種とに基づいて前記表示画像信号を構築する。

Claims (13)

  1. 被写体に照明光を照射する照明装置と、
    前記被写体からの像光を複数の画素で撮像することにより取得画像信号を生成する撮像装置と、
    前記取得画像信号を基に表示画像信号を構築する画像処理回路と、
    を備える内視鏡装置において、
    前記照明装置は、互いにピーク波長の異なる第１波長狭帯域光及び第２波長狭帯域光を出射し、
    前記画像処理回路は、
    観察対象として予め想定される複数の想定被写体種を記憶する記憶部と、
    少なくとも前記第１波長狭帯域光が照明された状態で前記撮像装置により前記第１波長狭帯域光に関する像光情報として選択的に取得された第１波長画像信号と、少なくとも前記第２波長狭帯域光が照明された状態で前記撮像装置により前記第２波長狭帯域光に関する像光情報として選択的に取得された第２波長画像信号と、前記記憶部の前記複数の想定被写体種と、に基づいて単数または複数の画素について前記想定被写体種を決定する、想定被写体種決定回路を有することを特徴とする内視鏡装置。
  2. 前記複数の想定被写体種に照明が照射された光量のうち、前記撮像装置に入射される波長ごとの光量の割合を複数の想定分光反射率とすると、
    前記複数の想定分光反射率に関する前記第２波長の変動係数は、前記想定分光反射率に関する前記第１波長の変動係数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。
  3. 前記第２波長狭帯域光は、前記複数の想定分光反射率に関する変動係数が最大となる波長を相対変動係数が１００％であるとした時、前記相対変動係数が２０％以下となる波長狭帯域光であることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡装置。
  4. 前記想定被写体種が含む吸収色素に対する前記第２波長の吸光度は、前記第１波長の吸光度よりも小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内視鏡装置。
  5. 前記第２波長画像信号から明るさ指標値を決定する明るさ指標値決定回路と、
    前記決定した前記想定被写体種及び前記明るさ指標値により、前記表示画像信号を決定する表示画像決定回路と、
    を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
  6. 前記複数の想定被写体種に照明が照射された光量のうち、前記撮像装置に入射される波長ごとの光量の割合を複数の想定分光反射率とし、前記複数の想定分光反射率に関する変動係数が最大となる波長を相対変動係数が１００％であるとした時、前記第１波長狭帯域光は、前記相対変動係数が８０％以上となる波長狭帯域光であり、
    前記想定被写体種決定回路は、前記第１波長画像信号及び前記明るさ指標値から導かれる演算値である第１想定被写体種指標値に基づいて、前記記憶部に記憶されている複数の想定被写体種から、単数もしくは複数の画素について、適切な想定被写体種を選定することを特徴とする請求項５に記載の内視鏡装置。
  7. 前記想定被写体種決定回路は、前記第１想定被写体種指標値に加えて、前記第１波長狭帯域光及び前記第２波長狭帯域光とは波長の異なる第３波長狭帯域光に関する像光情報を選択的に取得した第３波長取得画像信号から、前記明るさ指標値を用いた演算値である第２想定被写体種指標値に基づいて、前記適切な想定被写体種を選定し、
    前記第１想定被写体種指標値がほぼ同値の前記複数の想定被写体を第２想定被写体群とすると、前記第３波長狭帯域光は、前記第２想定被写体群の前記想定分光反射率のうち、互いの前記想定分光反射率の値に対する変動係数が最大となる波長を第２相対変動係数が１００％であるとした時、前記第２相対変動係数が８０％以上となる波長狭帯域光であることを特徴とする請求項６に記載の内視鏡装置。
  8. 前記明るさ指標値を用いた演算とは、前記明るさ指標値で除算される計算であることを特徴とする請求項７に記載の内視鏡装置。
  9. 前記表示画像決定回路は、前記想定被写体種決定回路によって前記想定被写体種を決定できない場合、前記表示画像信号における該当箇所を黒色または灰色で表示するよう決定することを特徴とする請求項８に記載の内視鏡装置。
  10. 前記表示画像決定回路は、前記想定被写体種決定回路によって前記想定被写体種を決定できない場合、前記第１波長狭帯域光乃至前記第３波長狭帯域光のうち、
    ４５０ｎｍに最も近い波長の波長狭帯域光に関する画像信号について、前記表示画像信号の中の青色チャンネルに割り当て、
    ５５０ｎｍに最も近い波長の波長狭帯域光に関する画像信号について、前記表示画像信号の中の緑色チャンネルに割り当て、
    ６５０ｎｍに最も近い波長の波長狭帯域光に関する画像信号について、前記表示画像信号の中の赤色チャンネルに割り当てることを特徴とする請求項８に記載の内視鏡装置。
  11. 前記被写体は、吸収色素としてヘモグロビンを含み、
    前記第２波長狭帯域光は、６６０ｎｍ以上の波長狭帯域光であることを特徴とする請求項１０に記載の内視鏡装置。
  12. 前記第１波長狭帯域光は、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ間の１波長であることを特徴とする請求項１１に記載の内視鏡装置。
  13. 前記波長狭帯域光は、レーザ光であることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の内視鏡装置。
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