JP3771344B2 - 蛍光電子内視鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体内部の観察部に励起光を照射することにより該観察部が発する蛍光を生体内部で受光して、該蛍光による蛍光像を撮像する蛍光電子内視鏡に関するものであり、特に被写界深度を確保しつつ明るさ絞りを可変する蛍光電子内視鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、一般にＰＤＤ（Photodynamic Diagnosis）と称される光力学診断についての研究が種々なされている。このＰＤＤとは、腫瘍親和性を有し、光により励起されたとき蛍光を発する光感受性物質(ATX-S10、5-ALA、NPe6、HAT-D01、Photofrin-2、等)を蛍光診断薬として予め生体の癌等の腫瘍部分に吸収させておき、その部分に光感受性物質の励起波長領域にある励起光を照射して腫瘍部分に集積した蛍光診断薬から蛍光を生じさせ、この蛍光を受光することにより病変部の局在・浸潤範囲を画像として表示して腫瘍部分を診断する技術である。
【０００３】
例えば特公昭６３−９４６４号公報、特開平１−１３６６３０号公報、特開平７−５９７８３号公報には、このＰＤＤを行なうための蛍光診断装置が開示されている。この種の蛍光診断装置は基本的に、光感受性物質の励起波長領域にある励起光を生体に対して照射する励起光照射手段と、光感受性物質が発する蛍光を検出して生体の蛍光像を撮像する手段と、この撮像手段の出力を受けて上記蛍光像を表示する画像表示手段とからなるものであり、多くの場合、体腔内部に挿入される内視鏡や、手術用顕微鏡等に組み込まれた形に構成される。
【０００４】
また、特に光感受性物質を予め生体内に注入することなく、生体内在色素の励起波長領域にある励起光を生体観察部（生体被照射部位）に照射し、生体内在色素が発する蛍光を受光することにより病変部の局在・浸潤範囲を画像として表示して腫瘍部分を診断する技術も提案されている。
【０００５】
また、通常は上記各手段に加えて、蛍光像が撮像されていないときに通常白色光である照明を生体に対して照射する手段と、生体において反射した照明光を検出して生体の通常像を撮像する撮像手段と、この撮像手段の出力を受けて上記通常像を表示する画像表示手段（一般には蛍光像表示用のものと兼用される）とが設けられ、この通常像で示される生体の状態を観察したり、光照射および撮像手段の先端部分と生体との位置関係を監視できるようになっている。
【０００６】
また、上述のように生体観察用の通常像を撮像し表示する際には、その通常像を蛍光像と重ね合わせて表示すれば、蛍光像が示す腫瘍の位置を容易に特定できるようになる。
【０００７】
特公平３−４９４５１号や特公平３−５８７２９号には、そのように通常像と蛍光像とを重ね合わせて表示可能とした蛍光内視鏡が開示されている。この蛍光内視鏡は、生体内部の励起光が照射された部位から発せられた蛍光と、この部位に照射された照明光の反射光を共通のイメージガイド（光ファイバー束）によって生体外に導き、該イメージガイドから出射した光を光分岐手段によって２系統に分岐し、一方の系統では蛍光像を撮像し、他方の系統では通常像を撮像した後、これら両画像を画像表示手段において重ね合わせて表示するようにしたものである。しかし、この種の蛍光内視鏡においては、イメージガイドを介して蛍光を生体外まで導き、生体外で蛍光検出を行っている。そのため蛍光のファイバへの入射効率やイメージガイドによる損失のため蛍光像のＳ／Ｎが悪く良好な蛍光画像が得られがたいという問題があり、蛍光像撮像部（場合によっては、通常像撮像部も）に固体撮像素子を用いて、この固体撮像素子を内視鏡先端に配し蛍光を直接受光するようにした蛍光電子内視鏡が提案されている（本願出願人による特願平８−２５３１８１等）。
【０００８】
ところで、一般の内視鏡においては、手術中の煩雑さをさけるために、光学系のピント、絞り、焦点距離等を一切変えずに使用するものが主流となっている。そのため、最低限必要な遠点物点（数１０mm）と近点物点が観察できるように明るさ絞りを予め絞ってかなり広い範囲の被写界深度を確保し、実用となるようにしている。しかしながら、明るさと被写界深度は相反する関係にあり、今以上の深度を得ようとすれば明るさが減少し、明るさを増せば深度が不足するという問題を生じる。ところが、上述のような蛍光内視鏡（蛍光電子内視鏡も含む）においては、生体から発せられる蛍光が微弱であることから光量が不足する傾向にあり、良好な蛍光像を得るべく光学系を明るくすることが必要である。しかし、上述のように明るさと被写界深度が相反する関係にあるため、光学系を明るくすると必要な焦点深度を確保することができないため、光学系を明るくすると共に焦点深度を拡大する必要が生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特公平７−１１９８９３号には、この焦点深度を拡大する一例が開示されている。これは、可変絞りを近点観察時に絞り込むことで焦点深度を増す方法である。しかしながら、この方式は絞り込む方式であるため明るさが減り、蛍光像を観察する場合には光量が不足し良好な蛍光像が得られないという問題を生じる。また、実施化のためには２重（多重）焦点レンズを用いるため高度なレンズ加工技術を必要とし、また、この２重（多重）焦点レンズも高価なものとなる。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、従来並の実用的な被写界深度を確保しつつも、蛍光像を従来よりも明るく良好に撮像するように明るさ絞りを可変できる蛍光電子内視鏡を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による蛍光電子内視鏡は、生体内部の観察部に励起光を照射することにより該観察部が発する蛍光を生体内部で受光して、該蛍光による蛍光像を撮像するものであって、
上記蛍光像を撮像する読出画素サイズを変更可能な撮像手段と、
該撮像手段が受光する蛍光の光量を調整する開口の大きさが可変である絞り（以下「可変絞り」という。）と、
上記蛍光像の明るさに応じて該絞りを開いたときには上記読出画素サイズを大きくするように、該絞りに連動して上記読出画素サイズを変更する手段とを有することを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、「読出画素サイズを変更する」とは、例えば上記可変絞りの開口の大きさが通常状態のときには上記撮像手段の１画素を読み出しの１画素として扱い、例えば上記可変絞りを倍（開口面積の大きさは４倍）にしたときには上記撮像手段の４画素を読み出しの１画素として扱う読出方式を適用することである。また、読出画素サイズの変更がなされた映像信号としては撮像手段を構成する受光素子（撮像膜によるものを含む。以下同様である。）の出力信号として得てもよく、受光素子の出力信号には変更ないが、該出力信号に所定の信号処理を行うことによって得てもよい。以下同様である。
【００１３】
また、本発明による蛍光電子内視鏡においては、上記撮像手段がＣＣＤ撮像素子等の固体撮像素子よりなり、上記読出画素サイズを変更する手段が、該固体撮像素子の読出解像点数を変更することにより前記読出画素サイズの変更を行うものであることが望ましい。
【００１４】
ここで、「読出解像点数を変更する」とは、例えば上記可変絞りの開口の大きさが通常状態のときには上記固体撮像素子を構成する１画素を読み出しの１画素として扱い、例えば上記可変絞りを倍（開口面積の大きさは４倍）にしたときには上記固体撮像素子を構成する４画素を読み出しの１画素として扱う読出方式を適用することである。
【００１５】
さらに、上記読出画素サイズを変更する手段としては、上記読出画素サイズを上前記検出手段の受光面における許容錯乱円のサイズと略同等の大きさとなるように変更することが望ましい。
【００１６】
【発明の効果】
本発明による蛍光電子内視鏡によれば、蛍光像が暗いときには上記可変絞りを開くことにより観察に適するレベルまで光学系を明るくすることができ、しかも、この可変絞りの開口の大きさに連動して撮像手段による読出画素サイズを変更（拡大）させることにより焦点深度全域で均一で実用的な解像力を確保することができる。すなわち実用的な焦点深度を確保することが可能となる。
【００１７】
また読取手段として固体撮像素子を用いれば、固体撮像素子が蓄積ＣＣＤを有するものとすることもでき、また、電荷転送パルスを変更するのも容易であるから、電荷蓄積により読出画素サイズを変更することが容易にできる。
【００１８】
さらに、可変絞りの開口の大きさに連動して上記読出画素サイズを上記撮像手段の受光面における許容錯乱円のサイズと略同等の大きさとなるように変更できるので、焦点深度全域で同等の解像力を維持しつつ（光学的な焦点深度の低下だけに抑えつつ）、受光光量の増加を従来より飛躍的に大きくすることが可能となる。すなわち、従来の絞りによる受光光量の増加と同等の受光光量の増加を得ようとすれば、焦点深度（被写界深度）の減少を小さく抑えることが可能となり、明るさと被写界深度の相反する関係を改善した可変絞りを提供することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明による蛍光電子内視鏡の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明による蛍光電子内視鏡の基本的な構成をブロック図により表したものである。本実施の形態による蛍光電子内視鏡においては、生体観察部（図示せず）から発せらた蛍光を２次元像として検出する撮像手段10、該撮像手段10に入射する蛍光の光量を可変する可変絞り20、該可変絞り20を通過した蛍光を撮像手段10の受光面Ａに結像させる結像レンズ24、撮像手段10が読み出す蛍光像を担持する映像信号の読出画素サイズを変更する読出画素サイズ変更手段30とからなる。
【００２０】
撮像手段10は、ＣＣＤ撮像素子等の固体撮像素子12と固体撮像素子12から出力される映像信号Ｅに信号処理を施す信号処理回路(PRC) 14とからなる。
【００２１】
可変絞り20および読出画素サイズ変更手段30が絞り制御手段22と接続されている。
【００２２】
読出画素サイズ変更手段30は、同期信号発生回路(SSG) 32、パルスパターン発生回路(PPG) 34および駆動回路36とからなる。
【００２３】
以下、上記構成の蛍光電子内視鏡の作用について説明する。可変絞り20は通常像観察においては最大絞りの状態にある。蛍光像観察時には、励起光が生体観察部（図示せず）に照射され、該観察部から蛍光が発せられる。発せられた蛍光の強度が十分でない（明るさが不足する）場合には、絞り制御手段22の指令を受けて可変絞り20が最大絞りの状態から所望の開口の大きさに開く。これにより蛍光像観察時の光学系が明るくなる。
【００２４】
可変絞り20を通過した蛍光は、固体撮像素子12の受光面Ａに結像レンズ24によって観察部の蛍光像として結像され、固体撮像素子12が観察部の蛍光像を撮像する。固体撮像素子12により撮像された観察部の蛍光像を担持する映像信号Ｅは信号処理回路14に入力される。信号処理回路14において、映像信号Ｅが所望のレベルに増幅された後、所定の映像信号処理を受け、該処理後の映像信号に同期信号発生回路16からの同期信号等が重畳され画像表示手段（図示せず）に可視画像として表示される。このとき、可変絞り20の開口の大きさに応じて（連動して）読出画素サイズ変更手段30からの指令に基づいて撮像手段10の読出画素サイズが変更される。可変絞り20と読出画素サイズ変更手段30との連動は絞り制御手段22によってなされている。尚、読出画素サイズ変更手段30と絞り制御手段22が兼用されたものとして構成することも可能である。
【００２５】
次に、撮像素子12の読出解像点数を変更することにより読出画素サイズの変更を行う方法の一例について簡単に説明する。撮像素子12はドライブ回路36と接続されており、ドライブ回路36がパルスパターン発生回路34からの転送パルスを受ける。ドライブ回路36は、該転送パルスを所望のレベルに増幅し、撮像素子12を構成する垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤをパルス駆動する。これにより、蛍光像を受光して得られる電荷が順次両ＣＣＤを介して電荷転送される。転送された電荷は最終的には電圧に変換されて撮像素子12より映像信号Ｅとして出力される。このとき、撮像素子12における受光の基準単位は撮像素子12を構成する画素単位（１画素毎）と等しい。従って、映像信号Ｅの分解能も１画素となる。すなわち、撮像素子12の画素と映像信号Ｅの読出画素の最小単位が同じとなる。
【００２６】
可変絞り20の開口の大きさが通常像観察時と同様に最大絞りとなっているときは、電荷転送を上述のように行うことで、映像信号Ｅの分解能も１画素となる。
【００２７】
撮像素子12は蓄積ＣＣＤを有しており、可変絞り20の開口の大きさが最大絞り、より大きくなると、撮像素子12を構成する垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤの電荷転送を上述に従って行った後、さらに複数の画素の電荷を蓄積ＣＣＤに蓄積する転送を行い、該蓄積ＣＣＤに蓄積された電荷を電圧に変換して映像信号Ｅとして出力する。尚、蓄積する画素構成は水平方向の複数、垂直方向の複数、水平および垂直方向の組合等任意に選択が可能である。
【００２８】
これにより、映像信号Ｅの分解能が撮像素子12の数画素単位となる。蓄積ＣＣＤへの電荷転送は、読出画素サイズ変更手段30からの指令に基づいてパルスパターン発生回路34からの転送パルスを変更することにより行われる。
【００２９】
例えば、撮像素子12の４画素分の電荷を蓄積した後映像信号Ｅとして出力する場合は、映像信号Ｅは、撮像素子12の４画素を１読出画素として扱うこととなり分解能がそれだけ低下することなる。しかしながら、蛍光像を撮像するという点に鑑みれば、後述のように、分解能の低下が蛍光電子内視鏡としての性能を害するということはない。
【００３０】
尚、撮像素子12による読出画素サイズの変更は、上述の方法に限定されるものではなく、転送パルスを変更することにより、垂直ＣＣＤに直接複数の画素分の電荷を転送した後水平ＣＣＤに電荷転送をする（この場合はオーバーフローによる画像にじみが生じ得る）ようにしても良く、また水平ＣＣＤが蓄積ＣＣＤを兼用（垂直方向の画素の蓄積）するものであってもかまわない。さらに読み出し方式も、順次読出、飛び越し読み出しのいずれでもかまわない。
【００３１】
上述の説明で明らかなように、撮像素子12を使用することにより読出画素サイズの変更が容易に行うことができ、また、撮像素子の構成も従来のものとほぼ同様の構成とすることもでき、場合によっては全く同様のもので転送パルスの変更のみで実現することも可能である。
【００３２】
また、読出解像点数を変化させる撮像素子として、その他には、例えば、読み出し方を設定し複数行を同時に読み出したりするタイプのＣＣＤ（このようなものをプログラマブル(Programmable)ＣＣＤと称する。）を使用することも可能である。更には、文献 SPIE VOL.2654 72〜79ページに報告されている「Programmable multiresolution CMOS active pixel sensor」を使用することで、本願発明にかかる蛍光電子内視鏡を容易に構成することもできる。
【００３３】
さらに、読出画素サイズの変更は、上述の撮像素子12による方法に限定されるものではなく、撮像素子12からは通常のように読み出し、信号処理回路14において画像メモリ（遅延素子を含む）に映像信号のデータを蓄積し、複数の画素データの加算処理を行うことによっても同様の効果を得ることが可能である。この場合は、撮像素子12は必ずしも固体撮像素子である必要はなく、撮像管（撮像膜により受光する）タイプのものも使用可能である。
【００３４】
次に、可変絞り20に連動して読出画素サイズ（読出解像点数）の変更を行うことによる特徴的作用について、図１を参照して説明する。
【００３５】
必要とされる物体側の被写界深度の遠点位置Ｓｆ、近点位置Ｓｎとすると、物体側の被写界深度に対応した像側の焦点深度ΔS'は以下のように表される。
【００３６】
ΔＳ’ ＝ ｋ＊（１／Ｓｎ−１／Ｓｆ）＊ｆ²
ここでｋは、比例定数
ｆは、焦点距離
である。尚、可変絞りと遠点位置Ｓｆおよび近点位置Ｓｎの始点はレンズの前側焦点位置である。
【００３７】
通常状態の時（例えば通常画像観察時）の光学系の像側のＦナンバーをＦ’とすると、許容錯乱円φは以下のように表される。
【００３８】
φ＝ΔＳ’／Ｆ’
通常画像観察時には、許容錯乱円径φは撮像手段10（撮像素子12）のほぼ１画素に相当すると考えて良い。すなわち、許容錯乱円径φは通常画像観察時の画素サイズと等価である。このときの許容錯乱円径φは以下のように表される。
【００３９】
φｎ＝ΔＳ’／Ｆ’
蛍光画像観察時のＦナンバーをＦ_f’ とすると可変絞りの絞りを開くことによる光量の増加率ｍ_a は以下のように表される。
【００４０】
ｍ_a ＝（Ｆ’／ Ｆ_f’）²
蛍光画像観察時の画素サイズをφｆとすると、通常画像観察時の画素サイズと蛍光画像観察時の画素サイズとの比（画素サイズ比）ｍ_p は以下のように表される。
【００４１】
ｍ_p ＝φｆ／φｎ
読取画素の画素サイズが許容錯乱円径より小さければ解像力に変化はなく大きければ解像力が低下する。すなわち許容錯乱円径が解像力を低下させない限度である。そこで、必要とされる焦点深度内で良好な画像を得るための条件（解像力を低下させない限度）として、蛍光画像観察時の読取画素の画素サイズを許容錯乱円径と等しくする条件を付け加える。この条件は以下のように表される。
【００４２】
φｎ＊Ｆ’＝φｆ＊Ｆ_f’
また、可変絞り20に連動して、読取画素サイズ変更手段30を備えることにより蛍光電子内視鏡を実現するための課題である、受光光量の増加率（受光光量比）M1は、以下のように表される。
M1＝ｍ_a ＊ｍ_p ＝（Ｆ’／Ｆ_f’）²＊（φｆ／φｎ）＝（Ｆ’／Ｆ_f’）³一方、通常の絞りを開くだけの場合の受光光量の増加率（受光光量比）ｍ_a は、上述のように、ｍ_a ＝（Ｆ’／ Ｆ_f’）² であり、本発明のように可変絞り20と連動させて読取画素サイズを変更することによる受光光量のアップを図ることで、通常の絞りを開くだけ光量アップ手段に比べて大幅な受光光量の増加が可能となる。
【００４３】
表１に、蛍光画像観察用に可変絞りだけを設けて光量を増やした場合と、本実施の形態のように可変絞り20および該可変絞り20と連動して読出画素サイズの変更が可能な撮像手段10を用いた場合とを比較したものを示す。表１は受光光量比と絞り開口の大きさ（Ｆナンバー）と読出画素サイズの関係を表している。通常の内視鏡用光学系はＦナンバーがＦ８〜Ｆ10程度であり、表１はＦ８の光学系の場合について表したものである。Ｆナンバーに対応（可変絞り20に連動）して画素サイズ比ｍ_p が表１のようになるよう読出画素サイズを変更すればよい。
【００４４】
【表１】

【００４５】
表１によっても明らかなように、Ｆナンバーを変更（すなわち可変絞り20の開口の大きさを変更）することによる受光光量は、従来の方式に比べて大幅にアップすることが可能であり、ひいては従来の受光光量の増加と等価でよいとした場合には可変絞り20の開口の大きさの変化幅を従来よりも小さくすることが可能となる。例えば、表１によれば受光光量を16倍にする場合、従来はF8をF2としなければならないのに対して、本実施の形態によればF8をF3.75〜F3.1 の略中間とするだけで十分である。
【００４６】
これにより、「明るくすると被写界深度が減少する」という相反する問題に関しても、受光光量の増加を従来と等価とする限りにおいて、可変絞り20の開口の大きさの変化幅を従来よりも小さく抑えることができるから被写界深度（焦点深度）の減少も従来より小さく抑えることが可能となる。
【００４７】
次に、読出画素サイズの変更による蛍光画像の解像力に関して説明する。蛍光画像観察は蛍光の発光部位を特定することがまず第一に求められ、発光部位を特定できる限り通常画像ほどの高い解像力は必要とされない。従って、可変絞り20と連動させて読取画素サイズを変更しても、上記実施の形態における画素サイズ比ｍ_p の程度の変化であれば蛍光画像観察に必要とされる解像力は十分に確保され得る。特に、読出画素サイズを撮像素子12の受光面における許容錯乱円のサイズと同等の大きさとなるように変更すれば、解像力の低下は光学的要因によるものと同じであり、読出画素サイズを変更したことに伴う解像力の低下は認識されない。
【００４８】
すなわち、撮像素子12の受光面における許容錯乱円に相当する大きさとなるように読取画素サイズを拡大することで、実質的な解像力には全く影響を与えず受光光量を飛躍的に増加させることができる。
【００４９】
従って、本発明による上記実施の形態によれば、可変絞りにより光学系を明るくすることが可能となると共に、所望の焦点深度の全域で均一で実用的な解像力を確保することが可能となる。
【００５０】
よって、本発明による蛍光電子内視鏡によれば、上述の説明で明らかなように、蛍光像の実質的な解像力の維持を図りつつ、蛍光強度の低下に対応して可変絞りにより開口を大きくすることで光学系を飛躍的に明るくすることが可能であり、もって従来と同様の明るさを得るに際しては被写界深度の低下を従来の絞りより小さくすることが可能となる。また、そのための構成も簡易であり、しかも、特に特殊な装置を必要とすることもなく安価に実現することができるから、実用上、工業上の価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である蛍光電子内視鏡の概略構成図
【符号の説明】
10 撮像手段
20 可変絞り
22 絞り制御手段
30 読出画素サイズ変更手段

Claims (2)

1. 生体内部の観察部に励起光を照射することにより該観察部が発する蛍光を生体内部で受光して、該蛍光による蛍光像を撮像する蛍光電子内視鏡において、
   前記蛍光像を撮像する読出画素サイズを変更可能な撮像手段と、
   該撮像手段が受光する蛍光の光量を調整する開口の大きさが可変である絞りと、
   前記蛍光像の明るさに応じて、前記絞りの開口を大きくするとともに、前記読出画素サイズを前記検出手段の受光面における許容錯乱円のサイズと略同等の大きさとなるように連動して変更する手段とを有することを特徴とする蛍光電子内視鏡。
2. 前記撮像手段が固体撮像素子よりなり、
   前記絞りの開口と前記読出画素サイズとを連動して変更する手段が、該固体撮像素子の読出解像点数を変更するものであることを特徴とする請求項１記載の蛍光電子内視鏡。

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