JPWO2017199926A1 - 内視鏡装置 - Google Patents

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Abstract

高解像度で小型軽量の内視鏡装置を提供する。本発明に係る内視鏡装置１００は、体腔内に挿入され、被写体からの光を導光する挿入部１１０と、挿入部１１０に装着され、被写体を照明する照明装置１２０と、マトリクス状に配置された８Ｋレベル以上の画素を備え、挿入部１１０により導光された被写体からの反射光を受光し、被写体の撮像信号を出力する撮像素子を有し、挿入部１１０と照明装置１２０を取り付け可能であり、人手で把持・運搬可能な撮像装置とを備え、撮像装置１３０は、撮像素子１３１を内蔵するマウント部１３５の光軸に垂直な断面積が、人手で把持・運搬する把持部１３６の光軸に垂直な断面積に比して等しい又は大きい。

Description

本発明は、内視鏡装置に関する。詳しくは８Ｋ高解像度映像技術を用いた内視鏡装置に関する。
細長い挿入部を体腔に挿入し、体腔内の様子を撮影して低侵襲手術を施術するための内視鏡が広く利用されてきた。最近は、日本国民の癌にかかる確率が約５０％になり、内視鏡の利用がさらに広がる傾向にある。
他方、通信技術、画像処理技術、光学技術の発展により、８Ｋと呼ばれる高解像度映像技術が実用化されつつある。ところで、２Ｋ→４Ｋ→８Ｋの変化は、単なるメモリの増加に留まらず、内視鏡を用いた医療機器の分野、低侵襲手術の分野で質的な技術革新も起こりつつある。内視鏡装置に８Ｋ高解像度映像技術を適用すると、例えば、手術用の細糸や臓器の微細な患部、臓器・組織間の境界の認識が可能となり、細胞レベルの観察も可能になる。これにより、手術の信頼性・確実性が高くなり、医療技術の進展が期待される。すなわち、臓器の患部の識別性が高くなり、不意に患部以外を傷つけるおそれも少なくなる。また、術視野を拡大でき、施術範囲が広い場合でも手術し易くなり、手術機器位置の確認や手術機器間の干渉を避けるにも便宜である。さらに、大画面観察も可能になり、手術関係者全員が同じ画像を共有でき、コミュニケーションがスムーズになる（非特許文献１参照）。このように、８Ｋ高解像度映像技術の利用は大きな発展性を秘めている。
山下紘正、「８Ｋテレビ技術の内視鏡手術への応用」、２０１５年度第１回光技術動向調査委員会、２０１５年５月２５日公開
しかしながら、８Ｋ高解像度映像技術（以下、単に８Ｋともいう。）の利用に当たり、変革すべき点も見出されつつある。 図１７に従来の８Ｋ撮像装置の例を示す。これまで８Ｋ映像技術は放送分野で発展してきたので、内視鏡装置に取り付けて利用するには大型で重いという欠点が見出された。２人の手術支援者で抱えても重いということである。また、内視鏡装置を用いる低侵襲手術では、撮像箇所の微妙な変更を人手でコントロールしており、内視鏡装置を操作するには、把持部を手中に収まるように小型化するのが好適である。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高解像度で小型軽量の内視鏡装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る内視鏡装置１００は、例えば図１に示すように、体腔内に挿入され、被写体Ａからの光を導光する挿入部１１０と、挿入部１１０に装着され、被写体Ａを照明する照明装置１２０と、マトリクス状に配置された８Ｋレベル以上の画素を搭載し、挿入部１１０により導光された被写体Ａからの反射光を受光し、被写体Ａの撮像信号を出力する撮像素子１３１を有し、挿入部１１０と照明装置１２０を取り付け可能であり、人手で把持・運搬可能な撮像装置１３０とを備え、撮像装置１３０は、撮像素子１３１を内蔵するマウント部１３５の光軸ＯＡ（図５の一点鎖線）に垂直な断面積が、人手で把持・運搬する把持部１３６の光軸ＯＡに垂直な断面積に比して等しい又は大きい。
ここにおいて、「８Ｋレベル」又は「８Ｋ相当」とは８Ｋ（７６８０×４３２０画素）で実現できる高精細解像度画像と同等な解像度の程度をいう。しかるに、実社会では、４Ｋ解像度（３８４０×２１６０画素）の解像度を上回る解像度についても使用されることがある。したがって、ここでは６Ｋ解像度（具体的には１フレームの画素数が２０００万以上）を上回る場合をいうものとする。「８Ｋレベル以上」であるから、８Ｋ解像度（７６８０×４３２０画素）以上の画素数を用いても良い。 また、典型的断面積として、８Ｋではマウント部１３５で８０±１０ｍｍ×８０±１０ｍｍ、把持部１３６で６０±１０ｍｍ×５３±１０ｍｍが好ましい。マウント部１３５では大きすぎると重くなり、小さすぎると画素ピッチ不足で画像が不鮮明になる。把持部１３６で大きすぎる又は小さすぎると把持しにくくなる。「８Ｋ以上」であるからマウント部１３５の断面積はより大きくても良い。 このように構成すると、高解像度で小型軽量の撮像装置１３０を備える内視鏡装置を提供できる。 なお、例えば撮像装置１３０を水平面に置いた時に光軸を水平にするなどの理由で把持部１３６の後方にマウント部１３５と同等な断面積のフランジ等を取り付けた場合についても、マウント部１３５の断面積と把持部１３６の断面積で比較するものとする。
また、本発明の第２の態様に係る内視鏡装置１００は、例えば図１に示すように、体腔内に挿入され、被写体Ａからの光を導光する挿入部１１０と、挿入部１１０に装着され、被写体Ａを照明する照明装置１２０と、マトリクス状に配置された８Ｋレベル以上の画素を搭載し、挿入部１１０により導光された被写体Ａからの反射光を受光し、被写体Ａの撮像信号を出力する撮像素子１３１を有し、挿入部１１０と照明装置１２０を取り付け可能であり、人手で把持・運搬可能な撮像装置１３０とを備え、撮像素子のピッチは２．８μｍ以上、３．８μｍ以下である。
ピクセルのピッチ（画素ピッチ）Ｐは、２．８〜３．８μｍが適切である。ピッチが小さすぎると干渉が生じて画像がぼけてくる。大きすぎると基板が大きくなり、体積・重さ、スピード等で不利になる。３．０〜３．５μｍがさらに適切である。
また、本発明の第３の態様に係る内視鏡装置１００は、第１の態様において、例えば図１に示すように、照明装置１２０、撮像装置１３０及び制御装置１４０がそれぞれ別体として構成され、撮像装置１３０の重量が５００ｇ以下である。
ここにおいて、制御装置１４０には、制御部１４１、画像処理部１４２、記憶部１４３が含まれる。これらの部分を撮像装置１３０の外に配置して、撮像装置１３０を軽量化するためである。また、撮像装置１３０の筐体を軽量金属又は軽量なプラスチック（ＦＲＰ等）で製造することにより、撮像装置１３０を軽量化する。なお、制御装置１４０の全部分が撮像装置１４０の外に配置されなくても、重さにさほど影響しない部分が撮像装置１４０内に残されても良い。例えば重量で９０％以上が撮像装置１４０の外に配置されれば良い。 現時点で従来の軽量化された内視鏡装置の重量は２．２ｋｇ（図１７参照）である。本態様では、第１の態様による小型化に加えて、上記軽量化により、撮像装置１３０の重量を５００ｇ以下にできる。 このように構成すると、撮像装置を第１の態様に比してさらに軽量化できる。
また、本発明の第４の態様に係る内視鏡装置１００は、第１ないし第３のいずれかの態様において、例えば図１に示すように、挿入部１１０は８０度以上の視野角をもたらす対物レンズ１１２を含むレンズ系と照明装置１２０から供給された光を拡散して被写体Ａに射出する拡散層を有する。
ここにおいて、対物レンズに広角レンズを用いることにより、広い視野角を実現できる。８Ｋ相当として、８０度〜１８０度が好ましい。 このように構成すると、レンズ系により、視野角を大きくできる。
また、本発明の第５の態様に係る内視鏡装置１００は、第１ないし第４のいずれかの態様において、例えば図１及び図７に示すように、撮像装置１３０は、画素電圧をデジタルの画素データに変換するＡ／Ｄ変換部を有し、撮像装置１３０から提供される画素データを記憶する記憶部１４３と、画素データからフレームデータを構築し、フレームデータを加工処理し、かつフレームデータの倍率調整にデジタルズームを使用する画像処理部１４２とを有する制御装置１４０と、画像処理部１４２にて構築されたフレームデータを大画面に表示する表示装置１５０とを備える。
ここにおいて、デジタルズーム（電子ズーム）とは、撮影画像の一部を切り出して拡大するものである。８Ｋでは細部でも高解像度が得られるので、拡大しても鮮明度が劣化しない。なお、縦横の倍率を変えることも可能である。また、「大画面」とは、３０インチ以上のモニタ画面をいうものとする。 このように構成すると、デジタルズームにより、視野角を大きくしても、高解像度を得られる。
上記課題を解決するために、本発明の第６の態様に係る内視鏡装置１００は、例えば図１に示すように、体腔内に挿入され、被写体Ａからの光を導光する挿入部１１０と、挿入部１１０に装着され、被写体Ａを照明する照明装置１２０と、マトリクス状に配置された８Ｋレベル以上の画素を搭載し、挿入部１１０により導光された被写体Ａからの反射光を受光し、被写体Ａの撮像信号を出力する撮像素子１３１を有し、挿入部１１０と照明装置１２０を取り付け可能であり、人手で把持・運搬可能な撮像装置１３０と、撮像装置１３０から提供される画素データを記憶する記憶部１４３と、画素データからフレームデータを構築し、フレームデータを加工処理し、かつフレームデータの倍率調整にデジタルズームを使用する画像処理部１４２とを有する制御装置１４０と、画像処理部１４２にて構築されたフレームデータを大画面に表示する表示装置１５０とを備え、挿入部１１０の先端と被写体Ａとの距離を１ないし１５ｃｍのいずれかとして被写体Ａに焦点を合わせることが可能である。
ここにおいて、挿入部１１０の先端と被写体Ａとの距離は、手術空間の広さ及び手術領域の見やすさから１ないし１５ｃｍが好適であり、８ないし１２ｃｍがより好適である。 このように構成すると、挿入部１１０の先端と被写体Ａとの距離を離せるので、挿入部１１０の先端と被写体Ａとの間に広い手術空間を作ることができる。このため、手術部分だけでなく、その周囲を含む広範囲の領域の画像を表示できる。また、低侵襲性である単孔式手術ができ、手術器具間の衝突を少なくできる。 また、８Ｋでデジタルズームを使用することによって、微小領域も高精細に見ることができる。ズームイン・ズームアウトにより、微小領域と広い範囲を切り替えて又は同時に表示できる。これにより、手術器具の取り換え時間を短縮できる。 また、大画面に表示するので、施術時に手術関係者全員が画像を共有できる。また、ルーペが不要である。 このように広い手術空間の創生とデジタルズームと大画面表示は手術環境を大きく変える。信頼性が高く、安全・安心な医療に改善される。
また、本発明の第７の態様に係る内視鏡装置は、挿入部１１０の筒状部１１１の長さは１０ないし２０ｃｍである。 このように構成すると、挿入部１１０の長さが短いので、撮像装置を把持する操作者の手ぶれによる画像の揺らぎを小さくできる。また、少ないリレーレンズ数になり、光の減衰や収差が減少し、明るいレンズ系となる。したがって、鮮明な画像を得られる。
本発明によれば、高解像度で小型軽量の内視鏡装置を提供することができる。
実施例１に係る内視鏡装置の構成を示す図である。 照明装置と撮像装置の詳細構成を示す図である。 撮像素子の画素ピッチを説明するための図である。 撮像装置の外観図である。 撮像装置の基板配置及び筐体寸法を示す図である。図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は平面図、図５（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。 撮像装置の部品の組み立て図である。図６（ａ）は分解図、図６（ｂ）は組み立て後の完成体斜視図である。 制御装置の詳細構成を示すブロック図である。 挿入部における筒状部内の光ファイバの配置を示す図である。図８（ａ）は光ファイバが１本の構成を、図８（ｂ）は複数の光ファイバが円周に沿って配置された構成を示す。 ８Ｋと２Ｋの内視鏡画像の比較例（その１）を示す図である。図９（ａ）は内視鏡画像（撮影画像）、図９（ｂ）は２Ｋでの２５６倍拡大画像、図９（ｃ）は８Ｋでの２５６倍拡大画像を示す図である。 ８Ｋ内視鏡を用いた新しい手術空間を説明するための図である。 ８Ｋ内視鏡システムの構成例を模式的に示す図である。 ８Ｋと２Ｋの内視鏡画像の比較例（その２）を示す図である。図１２（ａ）は、２Ｋ内視鏡画像（撮影画像及びその一部拡大図）、図１２（ｂ）は８Ｋ内視鏡画像（撮影画像及びその一部拡大図）である。 臓器・組織間の境界（接着界面）の見え方について説明するための図である。図１３（ａ）は接着界面が識別できることを説明するための図、図１３（ｂ）は接着界面を切離できることを説明するための図である。 ２Ｋ内視鏡の視野と８Ｋ内視鏡の視野を比較した図である。図１４（ａ）は８Ｋ内視鏡画像の例を示す図、図１４（ｂ）は２Ｋ内視鏡画像の例を示す図である。 単孔式手術における８Ｋ内視鏡の優位性を説明するための図である。 手術器具の交換時の８Ｋ内視鏡の優位性を説明するための図である。図１６（ａ）は２Ｋ内視鏡での手術器具の交換を説明するための図、図１６（ｂ）は８Ｋ内視鏡での手術器具の交換を説明するための図である。 従来の撮像装置の例を示す図である。
本発明の実施形態に係る内視鏡装置について、以下に図面を参照して詳細に説明する。
図１に本実施例に係る内視鏡装置の構成を示す。本実施例に係る内視鏡装置１００は主に腹腔鏡や管腔鏡として用いられる硬性鏡であり、挿入部１１０、照明装置１２０、撮像装置１３０、制御装置１４０及び表示装置１５０を備える。
挿入部１１０は、被検験者等の体腔内に挿入される細長の部材である。挿入部１１０は、筒状部１１１、対物レンズ１１２及び中空導光領域１１３を有する。
筒状部１１１は、ステンレス鋼材等の金属材や硬質の樹脂材等が、例えば、直径８ｍｍ〜９ｍｍの円筒状あるいは楕円筒状に形成された部材である。筒状部１１１の基端近傍の側面には、照明装置１２０が着脱可能に取りつけられ、また、筒状部１１１の基端部には、撮像装置１３０が着脱可能に取り付けられている。
対物レンズ１１２は、照明装置１２０から照射され、体腔内の被写体Ａで反射した光を取り込む導光手段である。対物レンズ１１２は、例えば、広角レンズで構成される。これにより、広い視野角が得られる。視野角は８０度〜１８０度以上が好適である。対物レンズ１１２は、挿入部１１０の先端面から露呈するように配置される。対物レンズ１１２は、被写体Ａからの反射光を集光し、中空導光領域１１３を介して、被写体Ａの像を撮像装置１３０の撮像素子１３１（図２参照）が配置された撮像面に結像する。対物レンズ１１２の側面は、筒状部１１１の先端近傍の内壁面に接着剤等を用いて固定され、挿入部１１０の先端面は密封されている。
中空導光領域１１３は、円筒部１１１の基端部と先端部との間に配置される空間であり、対物レンズ１１２を通過した光を、撮像装置１３０に導光する導光手段として機能する。
図２に、内視鏡装置１００の照明装置１２０と撮像装置１３０の詳細構成を示す。照明装置１２０は、光ファイバ１２１と、拡散層１２２と、光源部１２３とを有する。光ファイバ１２１は、光源部１２３から引き出され、筒状部１１１の内面に接着剤などで固定され、筒状部円筒部の先端部の拡散層１２２まで延在している。
拡散層１２２（図１参照）は、光ファイバ１２１を介して光源部１２３から供給される光を拡散して出力する。拡散層１２２は、例えば、入射した光を拡散して射出する拡散板又は拡散レンズにより構成される。広角の対物レンズ１１２で得られる視野角をカバーするように光を拡散するためである。
光源部１２３は、被写体Ａを照明するための光を光ファイバ１２１の基端部に供給する。光源部１２３は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子１２５と第１のドライバ回路１２６とを備える。なお、ＬＥＤ素子１２５の代わりにキセノンランプを使用できるが、この場合は光源部１２３は挿入部１１０と分離して設置され、長いコードを介して照明光が挿入部１１０に導入される。
ＬＥＤ素子１２５は、内部に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）３色を発光する素子を内蔵し、混色による白色光を光ファイバ１２１の入射端に照射する。
第１のドライバ回路１２６は、制御装置１４０の制御に従って、ＬＥＤ素子１２５を駆動する。第１のドライバ回路１２６は、制御装置１４０の制御に従って、ＰＷＭ制御等により、ＬＥＤ素子１２５を調光制御する。
撮像装置１３０は、挿入部１１０の基端部に着脱可能に装着され、円筒部１１１の中空導光領域１１３通過して入射した光により、被写体Ａの画像を撮像し、制御装置１４０に撮像した画像を供給する。より詳細には、撮像装置１３０は、撮像素子１３１と、第２のドライバ回路１３２と、Ａ／Ｄ変換部１３３と、送信部１３４とを有する。
図３は撮像素子の画素ピッチを説明するための図である。撮像素子１３１は、いわゆる８Ｋ、即ち、７６８０×４３２０ピクセル（画素）のカラーイメージセンサから構成される。したがって、８Ｋの内視鏡装置１００によれば、高精細な撮像画像を得ることができる。
しかしながら、イメージセンサの画素数を、単純に８Ｋ（７６８０×４３２０ピクセル）にするだけでは、表示装置（ディスプレイ）１５０上で８Ｋの真の解像度（画像の緻密さ）を実現できるとは限らない。 真に８Ｋの解像度を実現するためには、「画素のサイズが大きいこと」が必要である。イメージセンサの画素のサイズが小さすぎると、光の回折限界のために解像できず、ぼやけた画像になってしまう。内視鏡に適用する場合、体腔に挿入できるという制限から、内視鏡の内蔵レンズの径が非常に小さいため、そのままでは、大型のイメージセンサを使用することは困難である。
また、内視鏡内を導かれてきた光の径を、拡大レンズによりイメージセンサいっぱいに広げることが考えられる。しかし、倍率を上げれば上げるほど（焦点距離を遠くとるほど）、画面上のイメージサークルの面積は増えるが、反射光を得る術野範囲が狭くなる。このため、イメージセンサで受ける光（光子）の量が減り、画像が暗くなってしまうという問題があった。この問題は、８Ｋではイメージセンサの感度が４倍になった、液晶モニタが明るくなったことで解決できた。
８Ｋの解像度を実現するために、撮像素子１３１のピクセルのピッチＰは、被写体Ａの照明に使用される主要光の回折限界以上の大きさにする。具体的には、ピッチＰは、拡散層１２２から出射される照明光の波長、即ち、ＬＥＤ素子１２５の発光光の波長に相当する基準波長λより大きい値に設定される。なお、照明光が複数の波長の光を含む場合、基準波長λは、照明光を構成する三原色の光のうちの波長が最も長い光、即ち、赤い光の主成分の波長を意味する。即ち、赤色に対応するスペクトル領域でエネルギーの最も大きい波長を意味する。
また、レンズ系の開口度（ｆ値）を大きくすると、明るくなるが、解像度が落ちる。開口度を小さくすると、解像度が上がるが、暗くなる。このため、８Ｋでは開口度（ｆ値）が１０〜１６で、ピクセルのピッチ（画素ピッチ）Ｐは、２．８〜３．８μｍが適切であることがわかった。ピッチが小さすぎると干渉が生じて画像がぼけてくる。大きすぎると基板が大きくなり、体積・重さ、スピード等で不利になる。３．０〜３．５μｍがさらに適切である。ピクセルのピッチＰを、２．８〜３．８μｍとすると、撮像素子１３１の寸法は、約２０〜３０ｍｍ×１２〜１８ｍｍとなる。これを撮像素子１３１を搭載する基板の枠部２３４、円形の接眼レンズマウント部１１４で囲み、更に矩形の枠部及び筐体１３８で囲むと、撮像素子１３１を搭載したマウント部１３５の寸法が例えば８０ｍｍ×８０ｍｍ×３０ｍｍとなる。これに対して把持部１３６の寸法は、把持および操作のし易さから、例えば６０ｍｍ×５３ｍｍ×１０５ｍｍとなる（図５参照）。したがって、８Ｋ以上では、縦・横の寸法に±１０ｍｍの変化を考えて、典型的には、撮像素子１３１を内蔵するマウント部１３５の光軸に垂直な断面積が、人手で把持・運搬する把持部１３６の光軸に垂直な断面積に比して等しく又は大きくなる。なお、マウント部を円形にすると、マウント部の寸法は例えば７０ｍｍφ×３０ｍｍとなる。それでも、撮像素子１３１を内蔵するマウント部の光軸に垂直な断面積が、人手で把持・運搬する把持部の光軸に垂直な断面積に比して等しく又は大きくなる。
画素数が多いので、１画素には微細領域の色彩を記録できる。例えば８Ｋでは２０μの細糸を識別可能である。（２Ｋでは肉眼で画素が見えるが、８Ｋでは見えない。） ８Ｋの画素数（約３，３００万）は２Ｋ（約２００万）の１６倍である。表示装置１５０（図１参照）において、画素数＝視野（モニタ面積）×画素密度 で表される。例えば、視野が２Ｋの４倍になると、画素密度も２Ｋの４倍になる。モニタ画面を見る視野角は、２Ｋで３０度、４Ｋで６０度、８Ｋで１００度とすると、臨場感は１００度でほぼ飽和するので、臨場感を求めるなら、８Ｋで十分である。
撮像素子１３１は、８Ｋ相当以上のピクセルを備えてもよい。また、実社会では、８Ｋ以下の素子数でも、４Ｋに比して鮮明な画像が得られることから、８Ｋと称して販売等される場合がある。このため、画素数６Ｋ以上を８Ｋ相当ということとする。
図４に撮像装置１３０の外観図、図５に撮像装置１３０の基板配置及び筐体寸法を示す図、図６に部品の組み立て図を示す。図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は平面図、図５（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。図６（ａ）は分解図、図６（ｂ）は組み立て後の完成体斜視図である。マウント部１３５は約８０ｍｍ×８０ｍｍ×３０ｍｍで、絞り２３３及び撮像基板（撮像素子１３１を搭載する）がマウントされている。マウント部１３５には接眼レンズ１１５がマウントされた接眼レンズマウント部１１４が取り付けられ、接眼レンズマウント部１１４には挿入部１１０が取り付けられる。把持部１３６は約６０ｍｍ×５３ｍｍ×１０５ｍｍで、手中に把持できる寸法になっている。８Ｋに要求される画素ピッチ×画素数の撮像基板を実装するために、マウント部１３５の断面積≧把持部１３６の断面積となっている。図５において、１３７Ａは撮像素子１３１を搭載する基板を冷却するペルチエ素子、１３７Ｂは撮像装置１３０に残された制御用基板２３１(なくても良い)を冷却するペルチエ素子(なくても良い)、２３２は円形枠体で、接眼レンズマウント部１１４の枠体に当接し（同じ寸法）、絞り２３３に連結されている。図６において、２３２は円形枠体、２３４は撮像素子１３１を搭載する基板の枠体である。
また、小型軽量にするために、筐体１３８は例えば、軽量金属（Ａｌ等）又はＦＲＰ（例えばナイロンを紛体加工したもの）が使用され、従来の撮像装置から制御装置１４０の主要部、照明装置１２０及び冷却用ファンを外に出すことで、これにより、重量５００ｇ以下を実現できた。これにより、操作・運搬しやすくなり、手術の信頼性が大いに向上する。
ここで、図２に戻る。第２のドライバ回路１３２は、制御装置１４０の制御に従って、撮像素子１３１の露光の開始と終了を制御し、また、各画素の電圧信号（画素電圧）を読み出す。 Ａ／Ｄ変換部１３３は、第２のドライバ回路１３２が撮像素子１３１から読み出した画素電圧をデジタルデータ（画像データ）に変換し、送信部１３３に出力する。 送信部１３４は、Ａ／Ｄ変換部１３３から出力された輝度データを御装装置１４０に出力する。
図７は制御装置１４０の詳細構成を示すブロック図である。制御装置１４０は、内視鏡装置１００全体を制御するものであり、制御部１４１，画像処理部１４２、記憶部１４３，入出力ＩＦ（インタフェース）
１４４及び入力装置１４５を備える。
制御部１４１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリなどから構成され、送信部１３４から送信された輝度データを記憶部１４３に記憶させ、また、画像処理部１４２に画像データを処理させ、また、表示装置１５０に表示する。制御部１４１は、さらに、第１のドライバ回路１２６、第２のドライバ回路１３２を制御する。
画像処理部１４２は、イメージプロセッサ等から構成され、制御部１４１の制御に従って、記憶部１４３に記憶された画像データを処理して、１フレーム分の画像データ（フレームデータ）を再生し、記憶部１４３に再蓄積する。また、画像処理部１４２は、記憶部１４３に記憶されているフレーム単位の画像データに種々の画像処理を施す。例えば、画像処理部１４２は、各画像フレームを任意の倍率で拡大・縮小する拡大・縮小処理を行う。
拡大・縮小にはデジタルズームを使用する。記憶部１４３には鮮明な画像が蓄積されているので、デジタルズームで拡大しても画像がぼやけることはない。このため、広視野の範囲の画像を鮮明に表示できるので、広視野の手術空間を提供できる。また、デジタルズームを画像処理（鮮明化処理）と併用すると、例えば患部と他の部分とのコントラストを強調して表現する等により、一層鮮明な画像を得ることができる。
本実施の形態の内視鏡装置１００によれば、照明装置１２０光源として大きなエネルギーが得られるＬＥＤ素子１２５を使用する。このため、明るい照明光を得ることができ、ひいては、明るい画像を得ることができる。
図８に挿入部１１０における円筒部１１１内の光ファイバ１２１の配置を示す。図８（ａ）は本実施例に係る光ファイバ１２１が１本の構成を、図８（ｂ）は従来の複数の光ファイバ２２１が円筒部２１１に沿って配置された構成を示す。
また、照明光を円筒部１１１の内壁に配置した光ファイバ１２１により導くので、円筒部１１１の導光中空部１１３の空間を被写体Ａからの光の導光に有効に活用することができる。より具体的に説明すると、内視鏡の照明の形態として、図８（ｂ）に示すように、円筒部２１１の円周上に光ファイバ２２１を配置する方式が知られている。この手法では、照明用光ファイバ２２１によって、円筒部２１１内の空間が占有されてしまう。このため、被写体画像の行路が狭められ、大きな画像を撮像素子１３１の撮像面に投影することが困難である。これに対し、内視鏡装置１００では、図８（ａ）に示すように、円筒部１１１の導光中空部１１３を広く被写体Ａからの光の導光に利用できる。内視鏡装置１００の場合、挿入部の外径に制限があるため、導光中空部１１３を有効に活用できることは大きな効果を奏する。
図１１に８Ｋ内視鏡システムの構成例の概念を模式的に示す。８Ｋ内視鏡システム１００の主要部は挿入部１１０と撮像装置１３０である。挿入部１１０は例えば外形１０ｍｍ、レンズ系６ｍｍの硬性鏡鏡筒で構成され、撮像装置１３０は、例えば撮像素子１３１としてＣＭＯＳを有する８Ｋカメラヘッドで構成される。照明装置１２０の光源部１２３としてキセノン光源が使用され、挿入部１１０のアイピースと撮像装置１３０のレンズマウントとが結合される。撮像装置１３０で撮像された画像データは第２のドライバ回路１３２としてのカメラコントロールユニットを介して制御装置１４０の記憶部１４３としての８Ｋ用レコーダに記憶され、制御部１４１を介して表示装置１５０としての液晶モニタ（８Ｋ解像度を示す）１５０に表示される。
図９に、８Ｋと２Ｋの内視鏡画像の比較例（その１）を示す。図９（ａ）に２Ｋ内視鏡画像(撮影画像）、図９（ｂ）に２Ｋでの２５６倍拡大画像（一部切り出し）、図９（ｃ）に８Ｋでの２５６倍拡大画像を示す（一部切り出し）。これら内視鏡画像は豚の腹腔内を示すものである。２Ｋ画像では拡大すると細部が潰れて認識不能になる場合があるが、８Ｋ画像では、例えば１０−０の縫合糸（直径０．０２０〜０．０２９ｍｍ）を認識できる。
図１２に、８Ｋと２Ｋの内視鏡画像の比較例（その２）を示す。図１２（ａ）に２Ｋ内視鏡画像（撮影画像及びその一部拡大図）、図１２（ｂ）に８Ｋ内視鏡画像（撮影画像及びその一部拡大図）を示す。大腸表面血管が２Ｋ画像では不鮮明であるが、８Ｋ画像では高精細に見えている。
図１３は、臓器・組織間の境界（接着界面）の見え方について説明するための図である。図１３（ａ）は接着界面が識別できることを説明するための図、図１３（ｂ）は接着界面を切離できることを説明するための図である。臓器・組織間の接着界面を安全に切り離すためには境界を見定める必要がある。８Ｋ内視鏡画像なら、わかりづらい境界でも正確に見定め、安全に切り離せる。正常部分と癌等の異常部分の識別も可能である。
図１４は、２Ｋ内視鏡の視野と８Ｋ内視鏡の視野を比較した図である。図１４（ａ）は８Ｋ内視鏡画像の例をす図、図１４（ｂ）２Ｋ内視鏡画像の例を示す図である。従来の２Ｋ内視鏡では狭い中心域しか見えなかったので、その周辺に出血点があっても見逃されていた。しかし、８Ｋ内視鏡では、中心域（手術領域）だけでなく、その周囲を含む広範囲の画像を切り替えて又は同時に表示できるので、周辺に出血点も見ることができ、安心である。
図１０は８Ｋ内視鏡を用いた新しい手術空間を説明するための図である。 ８Ｋ画像では、視野角を広く、かつ鮮明さを保持して拡大可能である。このため、例えば、ズームアウトで手術機器の先端位置を把握し、手術機器の出し入れ操作を介して、手術機器の先端の位置決めを行い、ズームインして観測可能である。また、視野角が広ければ、固定カメラを引いた位置に置いて撮影し、デジタルズームで拡大して広い手術空間を表示できる。これにより、広い視野の手術空間を実現でき、施術範囲の広い手術にもよく適応できる。例えば、カメラを移動せずにすむ、手術機器の干渉を回避できる等である。また、施術箇所をズームアップした拡大画像もズームアップする前の広い視野の画像と共に表示することも可能である。
図１５は、単孔式手術における８Ｋ内視鏡の優位性を説明するための図である。８Ｋ内視鏡カメラを使用すると、被写体Ａから離れた位置から撮影できるので、手術器具の衝突を避け易くなる。単孔式手術は低侵襲性（患者の負担が小さい）と評価されているが、手術器具を動かす自由度が低い。８Ｋ内視鏡では引いた位置から撮影でき、デジタルズームで拡大した撮影画像を見て手術を行う。内視鏡を手術位置から離せるので、手術もやり易くなる。
図１６は、手術器具の交換時の８Ｋ内視鏡の優位性を説明するための図である。図１６（ａ）は２Ｋ内視鏡での手術器具の交換を説明するための図、図１６（ｂ）は８Ｋ内視鏡での手術器具の交換を説明するための図である。２Ｋ内視鏡では視野が狭いので、それまで使用していた手術器具を取り出し（ｉ）、取り替える手術器具を手術空間に入れる（ｉｉ）時に、内視鏡の視野の外に出てしまい、視野内に入れるのに手間取ることがしばしばある。８Ｋ内視鏡カメラを使用すると、手術器具を取り替えた（ｉ），（ｉｉ）後に、広範囲にズームアウトして取り替えた手術器具を探し、視野内に入れてからズームインして（ｉｉｉ）手術を行える。このように、手術器具の取り替え、移動も容易になるので、手術時間を短縮できる。
ここで手術空間について説明する。例えば、挿入部１１０の筒状部１１１の長さは１０〜２０ｃｍ（従来は２０〜３０ｃｍ）で、体腔への侵入長さは０〜１５０ｍｍ（従来は１００〜２００ｍｍ）、対物レンズ系の焦点距離は１０〜１５０ｍｍである。至近距離での観察も可能になり、広い範囲で焦点を合わせられる。なお、手術空間はガスが注入されて膨らまされている。従来は、光学的に見ていたので、焦点を合わせかつ鮮明な画像を得られる範囲が狭かったが、デジタルズームで撮影画像を観察するので、比較的遠方でも被写体Ａの画像を鮮明に観察可能である。デジタルズームによる観察と体腔への侵入長さが短いことにより、手術空間を広くとることができる。例えば、挿入部１１０の先端と被写体Ａとの距離（手術空間の高さ）を被写体上５０〜１５０ｍｍのいずれかにすることができる。体腔への侵入長さを０〜３０ｍｍとし、挿入部１１０の先端と被写体Ａとの距離（手術空間の高さ）を被写体上８０から１２０ｍｍとすると、手術空間を広くできかつ画像を鮮明に観察できるので好適である。なお、至近距離での観察も必要な場合があり、１０〜５０mmの観察も可能である。また、デジタルズームの使用により、ルーペが不要になり、手術が容易になる。 また、挿入部１１０の長さが短いので、撮像装置を把持する操作者の手ぶれによる画像の揺らぎを小さくできる。また、短いと、少ないリレーレンズ数になり、光の減衰や収差が減少し、明るいレンズ系となる。したがって、鮮明な画像を得られる。
手術空間が広くとれると、低侵襲性（患者の負担が小さい）の単孔式手術（口腔を１か所にする）が可能になる。外科用メス、鉗子等の手術機器同士の衝突を回避でき、また、手術機器を取り替える時には、ズームアウトして手術器具をサーチし、位置修正が可能となる。これにより、手術時間を短縮できる。このように、８Ｋ画像表示技術を使用し、ズームイン・ズームアウト技術を用いると、手術の信頼性・安全性が高まり、手術時間を短くでき、手術環境が大きく変化する。このように、このように広い手術空間の創生とデジタルズームと大画面表示は手術環境を大きく変える。信頼性が高く、安全・安心な医療に改善される。
記憶部１４３は、制御部１４１の動作プログラム、画像処理部１４２の動作プログラム、送信部１３４から受信した画像データ、画像処理部１４２が再生したフレームデータ、処理したフレームデータ等を記憶する。
入出力ＩＦ１４４は、制御部１４１と外部装置との間のデータの送受信のインタフェースとして機能する。入力装置１４５は、キーボード、マウス、ボタン、タッチパネルなどから構成され、ユーザの指示を入出力ＩＦ１４４を介して制御部１４１に供給する。
表示装置１５０は、８Ｋ対応の表示画素数を有する液晶表示装置等から構成され、制御装置１４０の制御に従って、操作画面、撮像画像、処理済画像などを表示する。 ８Ｋでは、表示装置に大画面モニタを使用できる。記憶部１４３は７６８０×４３２０ピクセルの画素を記憶するので、例えば３０インチ以上の大画面モニタを使用する。大画面モニタでも、自然に見える。このため、手術関係者全員で大画面の画像を共有でき、スムーズなコミュニケーションが図れる。（手術者は撮像装置からの分岐画像を見ることもできる。）
内視鏡はテレビ放送用のカメラと異なり、専用の施設で使用される。このため、挿入部１１０に装着された撮像装置１３０と制御装置１４０とは、数ｍ程度のケーブル１４６（図２参照）で接続される。制御装置１４０と表示装置１５０とは、載置台等に載置される。 照明装置１２０、撮像装置１３０及び制御装置１４０がそれぞれ別体とされている。このため、挿入部１１０に付属する構成（挿入部１１０＋撮像装置１３０＋照明装置１２０）は軽量化かつ小型化されており、挿入部１１０の取り回しは比較的容易である。また、照明装置１２０及び撮像装置１３０と制御装置１４０とを結ぶケーブル１４６は、施術室ではせいぜい１〜１０ｍであり、場合により数１００ｍを超える放送の現場とはことなる。ケーブル１４６による信号の劣化もわずかであり、分離による悪影響はほとんどない。
図５（ｃ）を参照して、撮像装置１３０の冷却手段１３７について説明する。 撮像装置１３０の稼働を継続すると発熱する。撮像素子１３１を構成するイメージセンサの感度を高くすると、発熱量がさらに増大する。そして、撮像装置１３０の温度が上昇すると、映像信号に対するノイズ成分が大きくなり、信号のＳ／Ｎ比が
低下して、モニタ画面に表示される画像の画質が低下する。以上のことから、冷却手段１３７を設けている。
本実施例では、冷却手段１３７としてペルチエ素子を筐体１３８の内部に設け、ペルチエ素子１３７Ａの発熱側で撮像素子１３１の放熱を行っている。即ち、筐体１３８には外気の取り入れを行う吸気口１３９Ａと、筐体１３８の内部空気を排出する排気口１３９Ｂとが設けられており、吸気口１３９Ａ及び排気口１３９Ｂ以外は密閉醸造となっている（消毒用エチレンオキサイドガスが入らない）。そして、吸気口１３９Ａ及び排気口１３９Ｂには、それぞれ開閉弁部材（図示しない）の一端が連結・固定されている。また、吸気口１３９Ａを負圧源（図示しない）で駆動し、この負圧吸引力により排気口１３９Ｂ側から筐体１３８内の空気が排出され、これに伴って吸気口１３９Ａから外気が取り入れられる空気流が形成され、冷却流路が形成される。ペルチエ素子１３７Ａの発熱側がこの空気流に臨んでおり、外気温の空気と熱交換される。ペルチエ素子１３７Ｂは撮像装置に残された基板１３９Ｃの熱を放熱する、その結果、撮像装置１３０の駆動によって筐体１３８内が発熱しても、効率的に冷却されて、撮像装置１３０の温度の上昇が抑制される。したがって、この撮像装置１３０のＳ／Ｎ比が高い状態に保持され、映像信号に対するノイズの低減が図られて、高画質の画像がモニタに表示されることになる。なお、排気に混入した塵埃が施術空間に入らないように、排気管は５ｍ以上とする。
次に、上記構成を有する内視鏡装置１００の動作について説明する。 内視鏡１００の使用時、ユーザ（施術者）は、入力装置１４５を操作し、この内視鏡装置１００のオンを指示する。この指示に応答し、制御部１４１は、第１のドライバ回路１２６と第２のドライバ回路１３２をオンする。 第１のドライバ回路１２６は、光源（キセノンランプ、ＬＥＤ素子１２５等）を点灯し、第２のドライバ回路１３２は、撮像素子１３１による撮像を開始する。 ＬＥＤ素子１２５から出力された白色光は、光ファイバ１２１を介して拡散層１２２で拡散され、照射される。
撮像素子１３１は、対物レンズ１２１と導光中空部１２３を介して入射した映像を撮像する。レンズ系の開口度（ｆ値）と撮像素子１３１の画素のピッチＰとの関係から、画素のピッチＰが、２．８〜３．８μｍが好適とされ、この範囲の画素のピッチＰを使用した。このため、明るく、解像度の高い画像を取得できる。
第２のドライバ回路１３２は、撮像素子１３１から各画素の画素電圧を順次読み出し、Ａ／Ｄ変換部１３３によりデジタル画像データに変換し、送信部１３４から制御装置１４０に、ケーブル１４６を介して順次送信する。
制御装置１４０の制御部１４１は、送信された画像データを入出力ＩＦ１４４を介して順次受信し、記憶部１４３に順次格納する。
画像処理部１４２は、制御部１４１の制御下に、記憶部１４３に格納された画像データを処理しフレームデータを再生すると共に適宜加工処理を行う。
制御部１４１は、記憶部１４３記憶されたフレームデータを適宜読み出し、入出力ＩＦ１４４を介して表示装置１５０に供給し、表示させる。
ユーザ（施術者）は、表示装置１５０の表示を確認しながら、挿入部１１０を体腔に挿入する。挿入部１１０が体腔に挿入されると、被写体Ａが拡散層１２２からの光により照明され、撮像素子１３１は、被写体Ａの画像を撮像し、撮像画像が表示装置１５０に表示される。
以上により、本実施例によれば、高解像度で小型軽量の内視鏡装置を提供することができる。
本実施例は、撮像装置１３０の筐体１３８に制御用のボタンが配置されている例を説明する。ボタンは表示装置１５０の表示位置の制御、拡大縮小の制御、挿入部１１０のレンズ系の焦点の調整、絞りの調整等を行う。これらの、制御・調整を手元で行えるので便宜である。 その他の装置構成は実施例１と同様であり、実施例１と同様に高解像度で小型軽量の内視鏡装置を提供することができる。
本実施例は、データベースを利用する例について説明する。記憶部１４３に過去の医療診断データを蓄積すれば、施術やデータの解析にこれら蓄積データを利用できる。例えば、時間の経過とともに変化する画像の比較、健康状態と異常状態の比較等が可能となる。これにより、医療・診断技術が発展し、信頼性の増加に繋がる。 その他の装置構成は実施例１と同様であり、実施例１と同様に高解像度で小型軽量の内視鏡装置を提供することができる。
以上、本実施の形態について説明したが、本発明は以上の実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、実施の形態に種々の変更を加えられることは明白である。
例えば、本実施例では、挿入部１１０に取り付ける光ファイバが1本の例を説明したが、照明光を増やすため複数本としても良く、周囲全体を取り囲むように円周部１１５に複数本としても良い。また、本実施例では挿入部１１０内の被写体からの反射光を受けて撮像装置１３０に伝えるレンズ系が、対物レンズ１１２が１個で構成される例を説明したが、複数のリレーレンズを介して被写体からの反射光を撮像装置１３０に伝える構成にしても良い。また、本実施例では、挿入部１１０の対物レンズ１１２を水平に設置する例を説明したが、傾斜をつけて設置しても良い。傾斜をつけた場合、挿入部を回転すると、広い範囲を観察できる。また、画像処理として、時間の経緯と共に変化した画像を重ね合わせて比較するようにしても良い。この場合半透明画像を用いると、時間の経緯による患部の変化を把握し易くなる。その他、内視鏡装置の各部の形状・寸法・重量、撮像素子や画像モニタの画面寸法等は適切な範囲で適宜変更可能である。
本発明は、低侵襲手術に使用する内視鏡装置に利用される。
１００…内視鏡装置、１１０…挿入部、１１１…筒状部、１１２…対物レンズ、１１３…中空導光領域、１１４…接眼レンズマウント、１１５…接眼レンズ、１２０…照明装置、１２１…光ファイバ、１２２…拡散層、１２３…光源部、１２５…ＬＥＤ素子、１２６…第１のドライバ回路、１３０…撮像装置、１３１…撮像素子、１３２…第２のドライバ回路、１３３…Ａ／Ｄ変換部、１３４…送信部、１３５…マウント部、１３６…把持部、１３７，１３７Ａ，１３７Ｂ…冷却手段（ペルチエ素子）、１３８…筐体、１３９Ａ…吸気口、１３９Ｂ…排気口、１４０…制御装置、１４１…制御部、１４２…画像処理部、１４３…記憶部、１４４…入出力ＩＦ、１４５…入力装置、１４６…ケーブル、１５０…表示装置、２１１…円周部、２２１…光ファイバ、２３１…基板、２３２・・・円形枠体、２３３・・・絞り、２３４・・・撮像素子を搭載する基板の枠部、Ａ・・・被写体、ＯＡ・・・光軸

Claims (7)

  1. 体腔内に挿入され、被写体からの光を導光する挿入部と； 前記挿入部に装着され、前記被写体を照明する照明装置と； マトリクス状に配置された８Ｋレベル以上の画素を搭載し、前記挿入部により導光された前記被写体からの反射光を受光し、前記被写体の撮像信号を出力する撮像素子を有し、前記挿入部と前記照明装置を取り付け可能であり、人手で把持・運搬可能な撮像装置とを備え； 前記撮像装置は、前記撮像素子を内蔵するマウント部の光軸に垂直な断面積が、前記人手で把持・運搬する把持部の光軸に垂直な断面積に比して等しい又は大きい； 内視鏡装置。
  2. 体腔内に挿入され、被写体からの光を導光する挿入部と； 前記挿入部に装着され、前記被写体を照明する照明装置と； マトリクス状に配置された８Ｋレベル以上の画素を搭載し、前記挿入部により導光された前記被写体からの反射光を受光し、前記被写体の撮像信号を出力する撮像素子を有し、前記挿入部と前記照明装置を取り付け可能であり、人手で把持・運搬可能な撮像装置とを備え； 前記撮像素子のピッチは２．８μｍ以上、３．８μｍ以下である； 内視鏡装置。
  3. 前記照明装置、前記撮像装置及び制御装置がそれぞれ別体として構成され、前記撮像装置の重量が５００ｇ以下である； 請求項１又は請求項２に記載の内視鏡装置。
  4. 前記挿入部は８０度以上の視野角をもたらす対物レンズを含むレンズ系と前記照明装置から供給された光を拡散して前記被写体に射出する拡散層とを有する； 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の内視鏡装置。
  5. 前記撮像装置は、画素電圧を画素データに変換するＡ／Ｄ変換部を有し； 前記撮像装置から提供される前記画素データを記憶する記憶部と、前記画素データからフレームデータを構築し、前記フレームデータを加工処理し、かつ前記フレームデータの倍率調整にデジタルズームを使用する画像処理部とを有する制御装置と； 前記画像処理部にて構築された、前記フレームデータを大画面に表示する表示装置とを備える； 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の内視鏡装置。
  6. 体腔内に挿入され、被写体からの光を導光する挿入部と； 前記挿入部に装着され、前記被写体を照明する照明装置と； マトリクス状に配置された８Ｋレベル以上の画素を搭載し、前記挿入部により導光された前記被写体からの反射光を受光し、前記被写体の撮像信号を出力する撮像素子を有し、前記挿入部と前記照明装置を取り付け可能であり、人手で把持・運搬可能な撮像装置と； 前記撮像装置から提供される前記画素データを記憶する記憶部と、前記画素データからフレームデータを構築し、前記フレームデータを加工処理し、かつ前記フレームデータの倍率調整にデジタルズームを使用する画像処理部とを有する制御装置と； 前記画像処理部にて構築された、前記フレームデータを大画面に表示する表示装置とを備え； 前記挿入部の先端と前記被写体との距離を１ないし１５ｃｍのいずれかとして前記被写体に焦点を合わせることが可能である； 内視鏡装置。
  7. 前記挿入部の筒状部の長さは１０ないし２０ｃｍである； 請求項６に記載の内視鏡装置。
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