JP2009022376A - 電子内視鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】組織の表面のみでなく、表面より深い部分の組織を観察することも可能な電子内視鏡システムを提供すること。
【解決手段】内視鏡挿入部の先端に配置された撮像ユニット１０はアクチュエータ１６を駆動することにより光軸方向に移動可能であり、ピント位置を変更できる。可変波長光源２２は、波長の異なる複数の半導体レーザーから選択されたレーザー光をライトガイド２３を介して内視鏡先端に導き、配光レンズ２４を介して対象物に照射する。システムコントローラ３０は、観察深度指示レバー４０により観察深度を深くするよう指示された場合にはピント位置を内視鏡先端部から遠ざかる方向に変化させると共に照明光の波長を長波長側にシフトさせ、観察深度を浅くするよう指示された場合にはピント位置を内視鏡先端部に近づく方向に変化させると共に、照明光の波長を短波長側にシフトさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、体腔内等の対象部位の画像を撮像素子により電子的に撮影して表示させる電子内視鏡システムに関し、特に、対象部位の観察深度を変化させる手段に関する。

電子内視鏡システムは、内視鏡挿入部の先端に配置された対物レンズにより形成される対象物の像を撮像素子により撮像し、この撮像素子から出力される映像信号を画像処理装置により処理して外部のモニター画面に表示する。操作者は、モニター画面に動画、または静止画として表示される画像を観察して撮影対象部位の状態を把握する。

最近では、病変部の詳細な分析のために、血管の形状、密度を観察し、診断の判断材料にしたいという要望がある。毛細血管が滑らかに走っている正常組織と比較し、病変部は、毛細血管が錯綜及び密集している傾向がある。癌化した細胞は、多くの血液を必要とし、短期間に血管を生成するため、このような状況となりやすい。したがって、このような毛細血管の錯綜、密集の度合いを調べることにより、病変部の判別が可能となる。

励起光を照射して組織から発せられる蛍光を観察する蛍光観察内視鏡では、励起光が血液に吸収されるため、毛細血管の錯綜、密集している部分は黒く表示される。特許文献１には、この種の蛍光観察が可能な内視鏡システムが開示されている。

特開２００２−０２８１２５号公報

しかしながら、蛍光観察に利用される励起光は可視域より短波長であるため、上記の蛍光観察内視鏡では主に組織表面上の情報しか得られず、組織表面より深い部分にある血管等を観察することができないという問題がある。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、組織の表面のみでなく、表面より深い部分の組織を観察することも可能な電子内視鏡システムを提供することを目的(課題)とする。

上記の課題を解決するために案出された本発明の電子内視鏡システムは、内視鏡挿入部の先端に配置された対物レンズにより形成される対象物の像を撮像素子により撮像する撮像光学系と、撮像光学系の撮像素子と共役なピント位置を内視鏡挿入部の先端に対して対物レンズの光軸方向に変化させるピント位置変更手段と、発光波長が変更可能な可変波長光源と、可変波長光源から発した照明光をライトガイドを介して内視鏡挿入部の先端に導いて対象物を照明する照明光学系と、内視鏡の操作者により操作される観察深度指示手段と、観察深度指示手段の指示にしたがってピント位置変更手段と可変波長光源とを制御する制御手段とを備える。そして、制御手段は、観察深度指示手段により観察深度を深くするよう指示された場合に、ピント位置変更手段を制御してピント位置を内視鏡先端部から遠ざかる方向に変化させると共に、可変波長光源が発する照明光の波長を長波長側にシフトさせ、観察深度を浅くするよう指示された場合に、ピント位置変更手段を制御してピント位置を内視鏡先端部に近づく方向に変化させると共に、可変波長光源が発する照明光の波長を短波長側にシフトさせることを特徴とする。

可変波長光源は、生体組織を励起させて蛍光を生じさせる励起光を発光可能であることが望ましい。また、ライトガイドに対して白色光を入射させる白色光源をさらに備えることが望ましい。この場合、可変波長光源からの照明光または励起光と、白色光源からの白色光とをライトガイドに対して交互に入射させ、それぞれの光の入射時に撮像された画像データを同一画面に合成してモニターに表示させることができる。

また、対物レンズと撮像素子との間にピンホール板を配置し、撮像素子の撮像面と共役なピント面以外からの光を遮断する共焦点光学系として撮像光学系を構成してもよい。

本発明の電子内視鏡システムによれば、照明光の波長を長波長側にシフトさせ、ピント位置を内視鏡先端部から遠ざかる方向に変化させることにより、観察深度を深くすることができる。すなわち、波長の長い光ほど組織表面より深い部位まで到達するため、波長の長い照明光を使用し、深い部位にピントを合わせることにより、組織表面より深い部分の状態を観察することが可能となる。したがって、組織表面より深い部分の毛細血管の錯綜、密集の度合いを観察でき、これに基づいて病変部の判別が可能となる。

次に、添付図面に基づいて、本発明を実施するための形態を説明する。図１は、実施形態の電子内視鏡システムの概略構成を示すブロック図である。図１は、体腔内に挿入されるために細長く形成された内視鏡挿入部の先端部分の構成と、この挿入部に接続された光源プロセッサ装置内の各回路の接続関係とを示している。

図１に示されるように、この電子内視鏡システム１は、内視鏡挿入部の先端に配置されて対物窓(シールドガラス)１１を介して対象物の像を撮影する撮像ユニット１０と、白色光を発する白色光源２１、または、発光波長が変更可能な可変波長光源２２から発した光をライトガイド２３を介して内視鏡挿入部の先端に導き、配光レンズ２４を介して対象物に照射する照明光学系２０とを備えている。

内視鏡先端部には、円筒状のフード２が取り付けられている。フード２の先端は、対物窓１１及び配光レンズ２４より突出しており、内視鏡先端部を観察部位に押しつけた状態でも光の照射及び撮影が可能なように構成されている。

撮像ユニット１０は、図２及び図３に拡大して示すように、対物レンズ１２と、対物レンズ１２により形成される対象物の像を撮影する電荷蓄積型の撮像素子１３とから成る撮像光学系を備えている。これらの対物レンズ１２と撮像素子１３とは、内視鏡先端部に固定された固定鏡筒１４内に収納された可動鏡筒１５内に保持されている。

可動鏡筒１５は、固定鏡筒１４との間に配置された圧電素子等のアクチュエータ１６により対物レンズ１２の光軸方向にスライド可能である。図２は、アクチュエータ１６の作動量が小さく、撮像光学系の撮像素子１３と共役なピント位置が内視鏡挿入部の先端に近い場合を示し、図３は、アクチュエータ１６の作動量が大きく、撮像光学系のピント位置が内視鏡挿入部の先端から遠い場合を示す。フード２を組織表面に押し当てた状態で、図２の設定では組織表面に撮像光学系のピントが合い、図３の設定では組織表面より深い部位にピントが合う。すなわち、可動鏡筒１５及びアクチュエータ１６は、撮像光学系の撮像素子１３と共役なピント位置を内視鏡挿入部の先端に対して対物レンズ１２の光軸方向に変化させるピント位置変更手段として機能する。

白色光源２１とライトガイド２３とを結ぶ直線的な光路上には、ロータリーシャッタ２５、ハーフミラー２６、集光レンズ２７が光源側から順に配置されている。可変波長光源２２は、上記の光路に対して垂直にハーフミラー２６に対して光を入射させるよう配置されている。ロータリーシャッタ２５は、図４に平面形状を示すように、中心角約１８０°の扇形の窓２５ａが形成された円板であり、集光レンズ２７の光軸に対して直交し且つオフセットした状態で、シャッタ用モータ３１の回転軸に固定されている。窓２５ａのサイズは、白色光の径より大きく設定されており、シャッタ用モータ３１を駆動してロータリーシャッタ２５を回転させることにより、白色光がオン／オフされて断続的に透過する。ロータリーシャッタ２５を透過した白色光源２１からの白色光の一部は、ハーフミラー２６を透過して集光レンズ２７により集光されてライトガイド２３に入射する。

ロータリーシャッタ２５は、シャッタ用モータ３１と共にスライド台２８に取り付けられており、スライド用モータ３２を駆動することにより、ロータリーシャッタ２５を図１に示す光路中の設定位置と、図中下側に光路からから外れた待避位置との間で切り替えることができる。

一方、可変波長光源２２は、発光波長が異なる複数の半導体レーザーを内蔵する。可変波長光源２２には、生体を励起して自家蛍光を発生させる近紫外の波長域の光を発する励起用レーザーと、可視域の異なる波長で発光する複数の照明用レーザーとを含む。これらの半導体レーザーは、選択的に発光し、その一部がハーフミラー２６により反射され、集光レンズ２７により集光されてライトガイド２３に入射する。

なお、可変波長光源２２としては、上記の構成の他、モノクロメータを用いることもできる。モノクロメータは、任意のスペクトル光源をプリズム、もしくは格子で作り、スペクトル内に置いた射出スリットにより放出用の狭い波長帯を選択する機器であり、スリットを通る光源のスペクトルを内部で動かすことにより、発光波長を変えることができる。レーザー光源の場合、段階的な発振波長となるが、モノクロメータの場合、選択波長に幅は有するものの無段階に波長を変えることができる。ただし、モノクロメータ利用の場合で、オンオフのスイッチングが遅い光源を用いる場合には、白色光源用のロータリーシャッタ２５と同様のシャッタを可変波長光源２２とハーフミラー２６との間に配置する必要がある。

対物レンズ１２と撮像素子１３との間には、励起用レーザーから発する励起光に相当する波長成分を除去するための励起光カットフィルター(図示せず)が組み込まれている。励起光カットフィルターは、図５に示すように、励起光を遮断し、励起光より長い波長の光を透過させる特性を有しており、これにより、蛍光撮影時に撮像素子１３に励起光が入射するのを防ぎ、自家蛍光のみの撮影が可能となる。

また、対物レンズ１２と撮像素子１３との間には、対物レンズ１２の焦点に合わせてピンホール板(図示せず)が備えられており、撮像光学系は、撮像素子１３の撮像面と共役なピント面以外からの光を遮断する共焦点光学系として構成されている。

次に、撮像ユニット１０により撮像された画像信号を処理し、ピント位置変更手段や可変波長光源２２の発光波長を制御する電気系統の構成について説明する。電子内視鏡システム１の電気系統は、全体の制御を司るシステムコントローラ３０を中心に、シャッタ用モータ３１を駆動する第１ドライバ３１ａ、スライド用モータ３２を駆動する第２ドライバ３２ａ、撮像ユニット１０内のアクチュエータ１６を駆動して撮像光学系１０のピント位置を変化させる第３ドライバ３３、撮像素子１２を制御する同期信号を出力するタイミングコントローラ３４、このタイミングコントローラ３４からの信号に同期して撮像素子１３を駆動する駆動信号を出力する第４ドライバ３５を備えている。

また、画像信号の処理系として、撮像素子１３から出力される映像信号を処理する前段信号処理回路３６、この前段信号処理回路３６で処理され出力されたデジタルの映像信号を演算処理する画像処理回路３７、この画像処理回路３７で演算された映像信号をモニター３９に表示するための規格化映像信号に変換して出力する後段信号処理回路３８を備える。

さらに、内視鏡挿入部に接続される操作部には、観察深度を指示するための観察深度指示レバー４０と、観察モードを通常観察モード、蛍光観察モード、深度観察モードとの間で切り替えるためのモード切替スイッチ５０とが設けられている。これらのレバー及びスイッチは、内視鏡による観察時に操作者(術者)により操作される。

観察深度指示レバー４０には、扇形のスリット板４１が一体に回転するように設けられ、このスリット板４１を挟んでフォトインタラプタ４２が配置されている。フォトインタラプタ４２はスリット板４１を挟んで対向するように配置された発光素子と受光素子とを含み、スリット板４１の回転に伴ってパルスを出力するインクリメンタル方式のロータリーエンコーダとして構成されている。ここでは、スリット板４１には二組のスリット列が半周期ずらして配置され、それぞれのスリットに対して発光素子と受光素子との組が設けられている。これにより、回転量と回転方向とを検出することができる。

観察深度指示レバー４０による操作は、深度観察モードにおいてのみ有効であり、操作に応じてフォトインタラプタ４２からのパルス信号がシステムコントローラ３０に入力され、システムコントローラ３０は、このパルス信号に応じて第３ドライバ３３を制御してアクチュエータ１６を駆動してピント位置を変化させ、可変波長光源２２から発する照明光の波長をシフトさせる(この例では波長の異なる半導体レーザーに切り替える)。具体的には、システムコントローラ３０は、観察深度指示レバー４０により観察深度を深くするよう指示された場合に、アクチュエータ１６を制御してピント位置を内視鏡先端部から遠ざかる方向に変化させると共に、可変波長光源２２が発する照明光の波長を長波長側にシフトさせ、観察深度を浅くするよう指示された場合に、アクチュエータ１６を制御してピント位置を内視鏡先端部に近づく方向に変化させると共に、可変波長光源２２が発する照明光の波長を短波長側にシフトさせる。観察深度指示レバー４０は、観察深度指示手段に相当し、システムコントローラ３０は制御手段に相当する。

撮像ユニット１０は、組織表面の観察時には、図６に示すように、対物レンズ１２と撮像素子１３とが内視鏡先端部より後退した位置に設定され、組織表面より深い部位の観察時には、図７に示すように、対物レンズ１２と撮像素子１３とが内視鏡先端部側にせり出した位置に設定される。図７の状態では、撮像素子１２と共役なピント位置が組織表面より深い部分に一致する。そして、照明光の波長を長波長側にシフトさせると、波長の長い光ほど組織表面より深い部位まで到達するため、組織内部の血管等の画像を撮影することが可能となる。

さらに、システムコントローラ３０は、タイミングコントローラ３４を介して第１ドライバ３１ａ、第４ドライバ３５及び画像処理回路３７を制御している。可変波長光源２２は、システムコントローラ３０からの選択信号に応じて複数の半導体レーザーのいずれかを選択し、タイミングコントローラ３４からの同期信号に基づいて選択された半導体レーザーをチョッピング制御する。

画像処理回路３７には、図８に示すような深度観察モード時に利用される合成画像生成ブロックが含まれている。このブロックは、前段映像信号処理回路３６から入力された映像信号の高周波成分をカットするローパスフィルタ３７ａと、低周波成分をカットするハイパスフィルタ３７ｂと、それぞれのフィルタに接続された画像メモリ３７ｃ，３７ｄと、一方の画像メモリ３７ｄに接続された画像強調部３７ｅと、画像メモリ３７ｃの出力に画像強調部３７ｅの出力を合成する合成器３７ｆとを備えている。

次に、上記のように構成された電子内視鏡システム１の動作を説明する。システムの電源が投入されると、システムコントローラ３０が起動し、白色光源２１が点灯する。システムコントローラ３０は、モード切替スイッチ５０の設定を読み込み、各観察モードに合わせて各部を制御する。以下、通常観察モード、蛍光観察モード、深度観察モードの順に説明する。

通常観察モードが選択されている場合には、システムコントローラ３０は、第２ドライバ３２ａを介してスライド用モータ３２を駆動し、ロータリーシャッタ２５を光路外に待避させる。可変波長光源２２は消灯したままである。これにより、白色光源２１から発した照明光が連続的にライトガイド２３を介して内視鏡先端部に届き、配光レンズを介して対象物を照明する。白色光により照明された対象物からの反射光は、撮像ユニット１０に取り込まれて対象物のカラー画像を形成する。システムコントローラ３０は、第３ドライバ３３を介してアクチュエータ１６を駆動し、図２及び図６に示すように、ピント位置が対象物の組織表面に一致するよう制御する。また、タイミングコントローラ３４を介して第４ドライバ３５を制御し、撮像素子１３を駆動して所定のタイミングで映像信号を出力させる。出力された映像信号は、前段映像信号処理回路３６、画像処理回路３７、後段信号処理回路３８により処理されてモニター３９に対象物カラー画像の動画を表示させる。

蛍光観察モードが選択されている場合には、システムコントローラ３０は、第２ドライバ３２ａを介してスライド用モータ３２を駆動し、ロータリーシャッタ２５を光路中に設定する。そして、第１ドライバ３１ａを介してシャッタ用モータ３１を駆動し、ロータリーシャッタ２５を回転させる。また、システムコントローラ３０は、可変波長光源２２の励起光用レーザーを選択し、タイミングコントローラ３４からの同期信号により、白色光がロータリーシャッタ２５を透過する間は励起光用レーザーを消灯させ、白色光がロータリーシャッタ２５により遮断される間は励起光用レーザーを発光させる。これにより、白色光源２１から発した白色光と、可変波長光源２２から発した励起光とが交互にライトガイド２３に入射する。ピント位置は、通常観察モードにおけるのと同様、図２及び図６に示すように、対象物の組織表面に一致するよう制御される。

励起光が照射されている期間は励起された組織からの蛍光が励起光と共に撮像ユニット１０に入射するが、励起光は励起光カットフィルターにより遮断されるため、蛍光のみが撮像素子１３に到達し、蛍光画像の信号が得られる。一方、白色光が照射されている期間は、組織からの反射光が撮像素子１３に到達し、組織のカラー画像の信号が得られる。画像処理回路３７は、交互に出力される蛍光画像とカラー画像とを合成する。この際、画像処理回路３７は、一組のカラー画像信号と蛍光画像信号とを取得する毎に、カラー画像信号と蛍光画像信号とを比較し、カラー画像信号の輝度に対する蛍光画像信号の輝度の割合が一定の値より低い画素を病変部と特定し、これらの画素を例えば赤色で表示する画像信号を生成し、これをカラー画像信号と合成し、後段映像信号処理回路３８を介してモニター３９に出力する。モニター３９は、入力された画像データに基づいて、体腔内の画像に病変部が赤色で表示された画像を表示する。

深度観察モードが選択されている場合には、システムコントローラ３０は、第２ドライバ３２ａを介してスライド用モータ３２を駆動し、ロータリーシャッタ２５を光路中に設定する。そして、第１ドライバ３１ａを介してシャッタ用モータ３１を駆動し、ロータリーシャッタ２５を回転させる。また、システムコントローラ３０は、観察深度指示レバー４０からのパルスに基づき、可変波長光源２２に含まれる複数の半導体レーザーから、励起光用レーザー以外の照明用レーザーを選択し、タイミングコントローラ３４からの同期信号により、白色光がロータリーシャッタ２５を透過する間は照明用レーザーを消灯させ、白色光がロータリーシャッタ２５により遮断される間は照明用レーザーを発光させる。これにより、白色光源２１から発した白色光と、可変波長光源２２から発した照明光とが交互にライトガイド２３に入射する。さらに、システムコントローラ３０は、観察深度指示レバー４０からのパルスに基づき、第３ドライバ３３を制御してアクチュエータ１６を駆動し、観察深度に合わせてピント位置を調整する。すなわち、観察深度が深い場合には、より波長の長い半導体レーザーが選択され、ピント位置は組織表面より深い部分に合わせられる。観察深度が浅い場合には、より波長の短い半導体レーザーが選択され、ピント位置は組織表面に近い部分に合わせられる。ピント位置は、数百ミクロンオーダーで変更可能である。

白色光が照射されている期間は、組織からの反射光が撮像素子１３に到達し、組織のカラー画像の信号が得られる。この画像信号は、前段映像信号処理回路３６を介して画像処理装置３７に入力され、図８に示すローパスフィルタ３７ａで高周波成分が除かれ、画像メモリ３７ｃに蓄積される。一方、可変波長光源２２からの単波長の照明光が照射されている期間は組織表面より深い部位からの反射光が撮像ユニット１０に入射するため、組織内の血管等の画像を含む画像信号が得られる。この画像信号は、前段映像信号処理回路３６を介して画像処理装置３７に入力され、血管などの高周波成分を抽出するため、図８に示すハイパスフィルター３７ｂを介して画像メモリ３７ｄに蓄積される。

合成器３７ｆは、画像メモリ３７ｃに蓄積されたカラー画像信号と、画像メモリ３７ｄに蓄積され、画像強調部３７ｅで輪郭強調処理が施された単波長の深部の画像信号とを合成し、後段映像信号処理回路３８を介してモニター３９に出力する。モニター３９は、入力された画像データに基づいて、錯綜する毛細血管等の画像を体腔内のカラー画像に重ね合わせて表示する。

このように、実施形態の電子内視鏡システム１によれば、モニター３９には、モード切替スイッチ５０の切り替えに応じて、通常観察モードでは体腔内の組織表面のカラー画像が表示され、蛍光観察モードでは蛍光撮影により得られた病変部情報を組織表面のカラー画像に重ね合わせて表示され、深度観察モードでは特定の波長により得られた組織表面より深い部位の画像が組織表面のカラー画像に重ね合わせて表示される。

深度観察モードでは、観察深度指示レバー４０の操作に応じて撮像ユニット１０のピント位置と可変波長光源２２から発する照明光の波長とを変更でき、これにより観察の対象となる深度を変更することができる。したがって、組織表面より深い部分の毛細血管の錯綜、密集の度合いを観察でき、これに基づいて病変部の判別が可能となる。

本発明の一実施形態による電子内視鏡システムの内部構成を示すブロック図である。 図１の電子内視鏡システムに含まれる撮像ユニットの組織表面にピント位置を合わせた状態を示す断面図である。 図１の電子内視鏡システムに含まれる撮像ユニットの組織深部にピント位置を合わせた状態を示す断面図である。 図１の電子内視鏡システムに含まれるロータリーシャッタの平面図である。 図１の電子内視鏡システムに含まれる励起光カットフィルタの特性を示すグラフである。 図１の電子内視鏡システムに含まれる撮像ユニットのピント位置と組織との関係を示す説明図であり、組織表面にピント位置を合わせた状態を示す。 図１の電子内視鏡システムに含まれる撮像ユニットのピント位置と組織との関係を示す説明図であり、組織深部にピント位置を合わせた状態を示す。 図１の電子内視鏡システムの画像処理装置に含まれる合成画像生成ブロックを示すブロック図である。

符号の説明

１ 電子内視鏡システム
１０ 撮像ユニット
１２ 対物レンズ
１３ 撮像素子
１６ ソレノイド
２０ 照明光学系
２１ 白色光源
２２ 可変波長光源
２３ ライトガイド
２４ 配光レンズ
２５ ロータリーシャッタ
２６ ハーフミラー
２７ 集光レンズ
３０ システムコントローラ
３４ タイミングコントローラ
３６ 前段映像信号処理回路
３７ 画像処理回路
３８ 後段映像信号処理回路
３９ モニター
４０ 観察深度指示レバー

Claims (5)

1. 内視鏡挿入部の先端に配置された対物レンズにより形成される対象物の像を撮像素子により撮像する撮像光学系と、
   前記撮像光学系の撮像素子と共役なピント位置を内視鏡挿入部の先端に対して前記対物レンズの光軸方向に変化させるピント位置変更手段と、
   発光波長が変更可能な可変波長光源と、
   前記可変波長光源から発した照明光をライトガイドを介して前記内視鏡挿入部の先端に導いて対象物を照明する照明光学系と、
   内視鏡の操作者により操作される観察深度指示手段と、
   前記観察深度指示手段により観察深度を深くするよう指示された場合に、前記ピント位置変更手段を制御してピント位置を内視鏡先端部から遠ざかる方向に変化させると共に、前記可変波長光源が発する照明光の波長を長波長側にシフトさせ、観察深度を浅くするよう指示された場合に、前記ピント位置変更手段を制御してピント位置を内視鏡先端部に近づく方向に変化させると共に、前記可変波長光源が発する照明光の波長を短波長側にシフトさせる制御手段とを備えることを特徴とする電子内視鏡システム。
2. 前記可変波長光源は、生体組織を励起させて蛍光を生じさせる励起光を発光可能であることを特徴とする請求項１に記載の電子内視鏡システム。
3. 前記ライトガイドに対して白色光を入射させる白色光源をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電子内視鏡システム。
4. 前記可変波長光源からの照明光または励起光と、前記白色光源からの白色光とを前記ライトガイドに対して交互に入射させ、それぞれの光の入射時に撮像された画像データを同一画面に合成してモニターに表示させるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の電子内視鏡システム。
5. 前記撮像光学系は、前記対物レンズと前記撮像素子との間にピンホール板を備え、前記撮像素子の撮像面と共役なピント面以外からの光を遮断する共焦点光学系として構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電子内視鏡システム。