(57)【要約】【課題】挿入部の外径を細く維持したまま、通常観察画像の画質を劣化させることなく、蛍光などの発光のイメージングを行うことができる内視鏡システムを提供する。【解決手段】光照射手段が、マルチモードファイバから成り、先端から励起光を観察対象１に照射する光ファイバ１２と、光ファイバ１２への励起光の入射角を変化させて、励起光の照射パターンを変化させる照射パターン制御部１４とを有している。反射光取得手段が、内視鏡カメラ２１を有し、観察対象１からの励起光の反射光を受光して、その反射光データを取得する。発光取得手段が、励起光の照射により励起された観察対象１からの蛍光を光ファイバ１２により受光して、その蛍光データを取得する。発光分布取得手段１７が、複数の照射パターンに対応する複数の反射光データと複数の蛍光データとに基づいて、観察対象１での蛍光の強度分布を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を観察対象に照射するとともに、その励起光の照射パターンを変化可能に設けられた光照射手段と、
前記観察対象からの前記励起光の反射光を受光して、その反射光データを取得するよう設けられた反射光取得手段と、
前記励起光の照射により励起された前記観察対象からの発光を受光して、その発光データを取得するよう設けられた発光取得手段と、
前記光照射手段により前記照射パターンを変化させて前記励起光を照射したときの、複数の照射パターンに対応する前記反射光取得手段で取得された複数の反射光データと前記発光取得手段で取得された複数の発光データとに基づいて、前記観察対象での前記発光の強度分布を求める発光分布取得手段とを、
有することを特徴とする内視鏡システム。
【請求項２】
前記励起光の照射により励起される前記発光は、蛍光であることを特徴とする請求項１記載の内視鏡システム。
【請求項３】
前記光照射手段は、先端から前記励起光を照射する光ファイバと、前記照射パターンを変化させる照射パターン制御部とを有することを特徴とする請求項１または２記載の内視鏡システム。
【請求項４】
前記光ファイバは、マルチモードファイバまたはファイババンドルから成り、
前記照射パターン制御部は、前記光ファイバへの前記励起光の入射角、前記光ファイバへの前記励起光の入射位置、前記光ファイバへ入射する前記励起光の位相、前記光ファイバへの前記励起光の入射パターン、または前記光ファイバの曲げ形状を変化させることにより前記照射パターンを変化させるよう構成されていることを
特徴とする請求項３記載の内視鏡システム。
【請求項５】
前記発光取得手段は、前記光照射手段の前記光ファイバにより前記観察対象からの前記発光を受光するよう構成されていることを請求項３または４記載の内視鏡システム。
【請求項６】
前記光ファイバは内視鏡チャネルに搭載されていることを請求項３乃至５のいずれか１項に記載の内視鏡システム。
【請求項７】
前記光ファイバはライトガイドファイバから成ることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の内視鏡システム。
【請求項８】
前記反射光取得手段は内視鏡カメラから成ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の内視鏡システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の内視鏡診断・治療技術として、蛍光などの発光を利用したイメージング法が注目を集めている。これは、例えば、光感受性物質を腫瘍に特異的に集積させる５−ＡＬＡ（５−アミノレブリン酸）などの薬剤を投与し、患部を発光させて可視化することにより、内視鏡を利用した低侵襲治療・診断の精度を向上させるものである。このイメージング技術は、熟練を必要としないため、客観的な診断が可能となり、医師の研修期間も短縮することができる。また、癌などの患部と、神経や血管とを識別するためのマルチカラー化や、スクリーニング検査にも使用可能な高感度化への発展も期待できる。
【０００３】
従来、このようなイメージング法に利用可能な装置として、白色光と、蛍光物質を励起するための励起光とを含む光を観察対象に同時に照射し、観察対象で反射した白色光を白色光撮像素子で受光し、観察対象が発した蛍光を蛍光撮像素子で受光する蛍光内視鏡装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、蛍光イメージを得る方法として、レーザー光（励起光）を、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）により照射パターンを変化させながら観察対象に照射し、各照射パターンにより得られる蛍光強度を測定することにより、観察対象の蛍光イメージを求める方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
この非特許文献１の方法によれば、ｉ番目（ｉ＝１，２，・・・，Ｍ）の照射パターンの、画素（位置）ｊ（ｊ＝１，２，・・・，Ｎ）での励起光強度をＡｉｊ、ｉ番目の照射パターンにより得られた蛍光強度をｂｉ、観察対象の画素（位置）ｊでの相対蛍光強度をｘｊとすると、
【数１】
2018033567.tif 000003
の関係が得られる。この（１）式を利用することにより、各ｘｊが得られ、蛍光イメージを求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５５０６４７２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】V. Studer, et al., “Compressive Fluorescence Microscopy for Biological and Hyperspectral Imaging”, in Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(26), E1679-E1687
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の蛍光内視鏡装置では、観察対象から戻ってくる白色光と蛍光とを分けるための光路分割手段や可変分光素子を、白色光撮像素子や蛍光撮像素子の前段に配置する必要があるため、内視鏡先端の挿入部が太くなるという課題があった。また、光路分割手段により、白色光の一部が蛍光撮像素子側に分割されるため、白色光撮像素子で得られる白色光による通常観察画像の画質が劣化してしまうという課題もあった。
【０００９】
また、非特許文献１に記載の蛍光イメージング法は、対物レンズと観察対象との位置関係が固定されているため、内視鏡のような観察対象の表面形状が不確定なものや、観察対象が動いているものには適用できないという課題があった。また、非特許文献１に記載の蛍光イメージング法を内視鏡に適用しようとした場合、ＤＭＤを内視鏡先端部に配置する必要があるため、内視鏡先端の挿入部が太くなるという課題があった。
【００１０】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、挿入部の外径を細く維持したまま、通常観察画像の画質を劣化させることなく、蛍光などの発光のイメージングを行うことができる内視鏡システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る内視鏡システムは、励起光を観察対象に照射するとともに、その励起光の照射パターンを変化可能に設けられた光照射手段と、前記観察対象からの前記励起光の反射光を受光して、その反射光データを取得するよう設けられた反射光取得手段と、前記励起光の照射により励起された前記観察対象からの発光を受光して、その発光データを取得するよう設けられた発光取得手段と、前記光照射手段により前記照射パターンを変化させて前記励起光を照射したときの、複数の照射パターンに対応する前記反射光取得手段で取得された複数の反射光データと前記発光取得手段で取得された複数の発光データとに基づいて、前記観察対象での前記発光の強度分布を求める発光分布取得手段とを、有することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る内視鏡システムは、以下のようにして使用される。まず、光照射手段により、照射パターンを変化させながら、励起光を観察対象に照射する。反射光取得手段により、観察対象からの励起光の反射光を受光し、複数の照射パターンに対応して、複数の反射光データを取得する。同時に、発光取得手段により、励起光の照射により励起された観察対象からの発光を受光し、複数の照射パターンに対応して、複数の発光データを取得する。このように、本発明に係る内視鏡システムは、反射光と発光とを別々に受光することができる。このため、反射光取得手段として内視鏡に搭載されている内視鏡カメラを利用し、光照射手段や発光取得手段として、細径の光ファイバ等を利用することができる。これにより、挿入部の外径を太くすることなく、細く維持したまま、内視鏡カメラによる通常観察画像の画質の劣化も防ぐことができる。
【００１３】
各照射パターンに対応して各反射光データと各発光データとを取得したならば、その各データに基づいて、発光分布取得手段により、観察対象での発光の強度分布を求める。このとき、例えば、非特許文献１に記載の解析方法により発光の強度分布を求めることができる。すなわち、非特許文献１と同様に、反射光取得手段で取得した各反射光データ（各反射光強度）を（Ｍ×Ｎ）の行列Ａとし、発光取得手段で取得した各発光データ（各発光強度）を（Ｍ×１）の行列ｂとし、観察対象の各位置での相対発光強度を（Ｎ×１）の行列ｘとすると、これらの関係は（１）式と全く同じ形の（２）式で表される。
【００１４】
【数２】
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【００１５】
発光分布取得手段により、各反射光データ（行列Ａ）および各発光データ（行列ｂ）から、（２）式を用いて、観察対象の各位置での相対発光強度（行列ｘ）を求めることができる。こうして、本発明に係る内視鏡システムは、挿入部の外径を細く維持したまま、通常観察画像の画質を劣化させることなく、発光のイメージングを行うことができる。
【００１６】
本発明に係る内視鏡システムは、非特許文献１のように、固定された観察対象上に投影しようとする照射パターンの理想値を利用するのではなく、各照射パターンに対応した観察対象からの励起光の反射光を受光して利用するため、体内組織のように表面形状が不確定な観察対象や、動いている観察対象であっても、精度良く発光のイメージングを行うことができる。
【００１７】
本発明に係る内視鏡システムは、（２）式を利用して相対発光強度を求める場合、例えば最小二乗法を利用して、（Ｎ×１）行列ｘを求めることができる。また、（２）式の連立方程式を解いて相対発光強度を精度良く求めるためには、照射パターンの数Ｍをできるだけ多くした方がよいが、測定時間や解析時間を考慮すると、実用上、照射パターンの数Ｍは少ない方が好ましい。例えば、求める観察対象の画素（位置）の数Ｎと、照射パターンの数Ｍとの関係は、Ｍ×１００≧Ｎであることが好ましい。
【００１８】
従来の内視鏡では、挿入部の太さや通常画像の画質を維持したまま、蛍光観察等の機能拡張を実現することは困難であったが、本発明に係る内視鏡システムによれば、挿入部の太さや通常画像の画質を維持したまま、蛍光などの発光のイメージング機能を付加することができる。また、挿入部の太さや通常画像の画質を維持したまま、イメージング機能のマルチカラー化や高感度化を図ることもできる。
【００１９】
本発明に係る内視鏡システムは、内視鏡の挿入部の外径を細く維持するために、発光取得手段の発光データを取得する部分や発光分布取得手段を、内視鏡の先端側の挿入部ではなく、内視鏡の手元側に配置することが好ましい。
【００２０】
本発明に係る内視鏡システムで、前記励起光の照射により励起される前記発光は、蛍光であることが好ましい。この場合、観察対象の蛍光強度分布を得ることができ、蛍光イメージングを行うことができる。
【００２１】
本発明に係る内視鏡システムで、前記光照射手段は、先端から前記励起光を照射する光ファイバと、前記照射パターンを変化させる照射パターン制御部とを有することが好ましい。また、この場合、前記発光取得手段は、前記光照射手段の前記光ファイバにより前記観察対象からの前記発光を受光するよう構成されていることが好ましい。この場合、既存の内視鏡に光ファイバを埋め込むだけで、光照射手段および発光取得手段の受光部を構成することができ、内視鏡の挿入部の外径を細く維持することができる。また、その光ファイバを内視鏡チャネルに搭載したり、その光ファイバとして内視鏡に搭載されているライトガイドファイバを利用したりすることにより、光ファイバを埋め込む必要もなく、容易に構成することができる。
【００２２】
また、この場合、前記光ファイバは、単一のマルチモードファイバまたは、複数の光ファイバを束状にしたファイババンドルから成り、前記照射パターン制御部は、前記光ファイバへの前記励起光の入射角、前記光ファイバへの前記励起光の入射位置、前記光ファイバへ入射する前記励起光の位相、前記光ファイバへの前記励起光の入射パターン、または前記光ファイバの曲げ形状を変化させることにより前記照射パターンを変化させるよう構成されていることが好ましい。これにより、照射パターンを容易に変化させることができる。また、照射パターン制御部を内視鏡の手元側に配置することが可能となり、内視鏡先端の挿入部を細く維持することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、挿入部の外径を細く維持したまま、通常観察画像の画質を劣化させることなく、蛍光などの発光のイメージングを行うことができる内視鏡システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態の内視鏡システムを示すブロック構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の内視鏡システムの、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）により生成した照射パターンによる画像再構成の実現可能性を確認するシミュレーションにおいて、（ａ）使用した実験装置を示す全体構成図、（ｂ）ＭＭＦにより得られた照射パターンの一例である。
【図３】図２に示すシミュレーションにおける、照射パターンの一例、照射パターンの枚数Ｍが、5、25、100、2500のときに再構成された蛍光分布、与えられた蛍光分布の仮想モデルである。
【図４】図２に示すシミュレーションにおける、照射パターンの枚数Ｍが、25、50、100、1000、2500のときの、再構成の際の反復計算の回数と正規化平均二乗誤差（NMSE）との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態の内視鏡システムの、原理を確認するための蛍光イメージング実験に使用した実験装置を示す全体構成図である。
【図６】図５に示す実験装置を用いた、単色の蛍光イメージング実験における、（ａ）蛍光スペクトルの例、（ｂ）2500 個の蛍光強度（蛍光データ）を示すグラフである。
【図７】図５に示す実験装置を用いた、単色の蛍光イメージング実験における、（上段）粗い照射パターンのときの、照射パターンの一例、照射パターンの枚数Ｍが、10、50、100、2500のときに得られた蛍光分布、励起光の均一照射により得られた蛍光像、（下段）細かい照射パターンのときの、照射パターンの一例、照射パターンの枚数Ｍが、10、50、100、2500のときに得られた蛍光分布、励起光の均一照射により得られた蛍光像である。
【図８】図５に示す実験装置を用いた、マルチカラーの蛍光イメージング実験における、（ａ）115 枚目、400 枚目、1880 枚目の照射パターンに対応する蛍光スペクトルの例、（ｂ）115 枚目の照射パターン（反射光画像）、（ｃ）400 枚目の照射パターン（反射光画像）、（ｄ）1880 枚目の照射パターン（反射光画像）である。
【図９】図５に示す実験装置を用いた、マルチカラーの蛍光イメージング実験における、（ａ）645〜665 nm の波長領域で得られた蛍光分布、（ｂ）540〜570 nm の波長領域で得られた蛍光分布、（ｃ）  （ａ）と（ｂ）とを合成した蛍光分布である。
【図１０】図５に示す実験装置を用いた、生体組織を用いた蛍光イメージング実験における、（ａ）蛍光スペクトルの例、（ｂ）照射パターン（反射光画像）の一例である。
【図１１】図５に示す実験装置を用いた、生体組織を用いた蛍光イメージング実験で得られた蛍光分布である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１１は、本発明の実施の形態の内視鏡システムを示している。
図１に示すように、内視鏡システム１０は、内視鏡本体１１と光ファイバ１２と光源１３と照射パターン制御部１４と結合部１５と蛍光検出部１６と発光分布取得手段１７と表示部１８とを有している。
【００２６】
内視鏡本体１１は、少なくとも通常画像を取得するための内視鏡カメラ２１を有している。内視鏡カメラ２１は、外部からの光を受ける受光レンズ２１ａと、受光レンズ２１ａで受けた光から通常画像の画像データを取得する画像検出部２１ｂと、画像検出部２１ｂから内視鏡本体１１の内部を通って手元側まで伸びる伝送ケーブル２１ｃとを有している。伝送ケーブル２１ｃは、画像検出部２１ｂで取得した画像データを伝送可能になっている。
【００２７】
光ファイバ１２は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）から成り、内視鏡本体１１の長さ方向に沿って、内視鏡本体１１の手元側の端面から先端側の端面まで、内視鏡本体１１の内部に埋め込まれている。光源１３は、励起光としてレーザー光を発光可能に設けられている。照射パターン制御部１４は、光源１３からの励起光を、結合部１５を介して、光ファイバ１２の手元側の端面から光ファイバ１２に入射可能になっている。照射パターン制御部１４は、光ファイバ１２への励起光の入射角を変化可能に構成されている。
【００２８】
蛍光検出部１６は、結合部１５を介して、光ファイバ１２の手元側の端面から出射される光を受けるようになっている。蛍光検出部１６は、受けた光から励起光成分を除去する光学フィルタ２２と、光学フィルタ２２を通った光から所望の周波数の蛍光成分を検出するための分光器２３とを有している。なお、結合部１５は、照射パターン制御部１４からの光を、光ファイバ１２の手元側の端面に導くとともに、光ファイバ１２の手元側の端面からの光を、蛍光検出部１６に導くよう構成されている。
【００２９】
内視鏡システム１０は、光源１３からの励起光を、光ファイバ１２の先端側の端面から観察対象１に照射可能になっている。内視鏡システム１０は、照射パターン制御部１４により、光ファイバ１２への励起光の入射角を変化させることにより、励起光の照射パターンを変化可能になっている。なお、光ファイバ１２は、束状にされた複数の光ファイバ、いわゆるファイババンドルから成っていてもよい。また、照射パターン制御部１４は、光ファイバ１２への励起光の入射位置、光ファイバ１２へ入射する励起光の位相、光ファイバ１２への励起光の入射パターン、または光ファイバ１２の曲げ形状を変化させることにより照射パターンを変化可能になっていてもよい。
【００３０】
また、内視鏡システム１０は、励起光の照射により励起された観察対象１からの蛍光を、光ファイバ１２の先端側の端面で受光して、その蛍光データ（発光データ）を蛍光検出部１６で取得可能になっている。なお、内視鏡システム１０は、光ファイバ１２、光源１３、照射パターン制御部１４および結合部１５が、光照射手段を構成している。また、光ファイバ１２、結合部１５および蛍光検出部１６が、発光取得手段を構成している。
【００３１】
また、内視鏡システム１０は、内視鏡カメラ２１が反射光取得手段を構成しており、内視鏡カメラ２１により、観察対象１からの励起光の反射光を受光して、その反射光データを取得可能になっている。
【００３２】
発光分布取得手段１７は、コンピュータから成り、内視鏡本体１１の手元側に配置されている。発光分布取得手段１７は、蛍光検出部１６と、伝送ケーブル２１ｃの手元側の端部とに接続されている。発光分布取得手段１７は、内視鏡カメラ２１で取得された反射光データと、蛍光検出部１６で取得された蛍光データとを入力するよう構成されている。発光分布取得手段１７は、照射パターン制御部１４で照射パターンを変化させて励起光を照射したときの、複数の照射パターンに対応する複数の反射光データと複数の発光データとに基づいて、観察対象１での蛍光の強度分布を求めるよう構成されている。具体的な一例では、発光分布取得手段１７は、（２）式を利用して、各反射光データ（各反射光強度）を（Ｍ×Ｎ）行列Ａ、各発光データ（各発光強度）を（Ｍ×１）行列ｂ、観察対象１の各位置での相対蛍光強度を（Ｎ×１）行列ｘとし、最小二乗法を用いて行列ｘを求めるようになっている。
【００３３】
表示部１８は、モニタから成り、発光分布取得手段１７に接続されている。表示部１８は、内視鏡カメラ２１で取得された反射光画像や反射光データ、蛍光検出部１６で取得された蛍光データ、発光分布取得手段１７で求められた蛍光強度や蛍光の強度分布などを表示可能になっている。
【００３４】
次に、作用について説明する。
内視鏡システム１０は、以下のようにして使用される。まず、照射パターン制御部１４で照射パターンを変化させながら、光源１３からの励起光を、光ファイバ１２を通して観察対象１に照射する。内視鏡カメラ２１により、観察対象１からの励起光の反射光を受光し、複数の照射パターンに対応した複数の反射光データを取得する。また、励起光の照射により励起された観察対象１からの蛍光を光ファイバ１２で受光し、蛍光検出部１６で、複数の照射パターンに対応した複数の蛍光データを取得する。このように、内視鏡システム１０は、反射光と蛍光とを別々に受光することができる。このため、既存の内視鏡本体１１に搭載されている内視鏡カメラ２１を利用し、既存の内視鏡本体１１に細径の光ファイバ１２を埋め込むだけで構成することができる。これにより、挿入部の外径を太くすることなく、細く維持したまま、内視鏡カメラ２１による通常観察画像の画質の劣化も防ぐことができる。
【００３５】
内視鏡システム１０は、各照射パターンに対応した各反射光データと各蛍光データとを取得したならば、その各データに基づいて、発光分布取得手段１７により、観察対象１での蛍光の強度分布を求めることができる。こうして、内視鏡システム１０は、挿入部の外径を細く維持したまま、通常観察画像の画質を劣化させることなく、蛍光イメージングを行うことができる。
【００３６】
従来の内視鏡では、挿入部の太さや通常画像の画質を維持したまま、蛍光観察等の機能拡張を実現することは困難であったが、内視鏡システム１０によれば、挿入部の太さや通常画像の画質を維持したまま、蛍光イメージング機能を付加することができる。また、挿入部の太さや通常画像の画質を維持したまま、イメージング機能のマルチカラー化や高感度化も図ることができる。
【００３７】
内視鏡システム１０は、観察対象上に投影しようとする照射パターンの理想値を利用するのではなく、各照射パターンに対応した観察対象１からの励起光の反射光を受光して利用するため、体内組織のように表面形状が不確定な観察対象１や、動いている観察対象１であっても、精度良く蛍光イメージングを行うことができる。
【００３８】
内視鏡システム１０は、光源１３、照射パターン制御部１４、結合部１５、蛍光検出部１６および発光分布取得手段１７が、内視鏡本体１１の手元側に配置されているため、内視鏡本体１１の挿入部の外径を細く維持することができる。また、内視鏡システム１０は、光ファイバ１２を内視鏡チャネルに搭載したり、光ファイバ１２として内視鏡に搭載されているライトガイドファイバを利用したりすることにより、光ファイバ１２を埋め込む必要もなく、容易に構成することができる。なお、内視鏡システム１０は、既存の内視鏡の機能と、付加した蛍光イメージング機能とを切り換えて使用可能になっていてもよい。
【００３９】
［仮想蛍光モデルによる数値シミュレーション］
マルチモードファイバ（ＭＭＦ）により生成した照射パターンによる画像再構成の実現可能性を確認するため、仮想の蛍光分布を与えて数値シミュレーションを行った。照射パターンの生成および取得に用いた実験装置の構成を、図２（ａ）に示す。
【００４０】
図２（ａ）に示すように、内視鏡カメラ２１の代わりにＣＣＤカメラ３１を用いた。また、照射パターン制御部１４に対応するものとしてアクチュエータ３２を用い、ＭＭＦ３３の曲げ形状を変化させて照射パターンを変化させた。使用したＭＭＦ３３は、コア径が 25 μm、NA（開口数）が 0.1、長さが 1 mである。また、光源１３に対応するものとして、Nd:YAGレーザー３４を用いた。Nd:YAGレーザー３４からの励起光として、波長532 nm、出力48 mW の第２高調波（SHG）による励起パルスレーザ光を用いた。
【００４１】
図２（ａ）に示すように、ＭＭＦ３３からの励起光を、観察対象１の磨りガラス１ａに照射し、それをＣＣＤカメラ３１で撮影した。ＭＭＦ３３の出射端から磨りガラス１ａまでの距離は、11 cmである。撮影された反射光の画像が、照射パターンを表しており、その一例を図２（ｂ）に示す。
【００４２】
アクチュエータ３２によりＭＭＦ３３の曲率を増加させながら照射パターンを変化させ、2500 枚の画像を取得した。シミュレーションでは、計算に使用する照射パターンの枚数Ｍを変化させた。使用する各画像を、画素数50×50 ピクセルに圧縮し、Ｍ×2500 の行列Ａを作成した。シミュレーションでは、まず、仮想の蛍光分布モデル（50×50 ピクセル）として、2500×１の行列ｘを与え、行列Ａと行列ｘとを（２）式に代入して、Ｍ×１の行列ｂを求めた。次に、コンピュータ３５により、求めた行列ｂと行列Ａとを用い、（２）式に基づいて最小二乗法により、蛍光分布の行列ｘを再構成した。再構成の際には、正規化平均二乗誤差（NMSE: Normalized Mean Squared Error）が最小になるよう反復計算を行った。
【００４３】
照射パターンの枚数Ｍが、5、25、100、2500の場合について再構成された行列ｘによる蛍光分布を、図３に示す。図３には、照射パターンの一例、および蛍光分布の仮想モデルも示す。また、照射パターンの枚数Ｍが、25、50、100、1000、2500の場合について、再構成の際の反復計算の回数と正規化平均二乗誤差（NMSE）との関係を、図４に示す。
【００４４】
図３に示すように、照射パターンの枚数が画素数と同じとき、ＭＭＦ３３により生成した照射パターンを用いて、高い精度で蛍光分布の仮想モデルを再現できていることが確認できた。また、照射パターンの枚数Ｍが画素数よりも小さいとき、再構成された蛍光分布の画質は低下しているが、蛍光のおおまかな位置を視認できることが確認された。図３に示す一例では、照射パターンの枚数が25枚（画素数の1/100）でも、蛍光のおおまかな位置が視認できている。
【００４５】
また、図４に示すように、照射パターンの枚数Ｍがいずれの場合であっても、反復計算の回数が増加するのに伴って、NMSEが低下し収束に向かう様子が確認された。また、収束するまでの反復計算の回数は、照射パターンの枚数Ｍ（測定回数）におおよそ比例することも確認された。また、照射パターンの枚数Ｍ（測定回数）が多いほど、NMSEの収束値が小さくなる、すなわち蛍光分布の画質が向上することが確認された。このことから、短時間で蛍光分布を得る（高速化する）ためには、照射パターンの枚数Ｍ（測定回数）を少なくすればよいが、得られる蛍光分布の画質が低下してしまい、反対に、画質が高く高精度な蛍光分布を得るためには、照射パターンの枚数Ｍ（測定回数）を多くすればよいが、蛍光分布を得るまでの時間が長くなってしまうことがわかる。
【００４６】
［蛍光イメージング実験−その１（単色）］
内視鏡システム１０の原理を確認するために、図５に示す装置を用いて実験を行った。図５に示すように、内視鏡カメラ２１の代わりにＣＣＤカメラ３１を用いた。また、光ファイバ１２として、励起光照射用および蛍光検出用の２本のＭＭＦ３３ａ，３３ｂを用いた。なお、光ファイバ１２は、１本でも励起光照射および蛍光検出が可能であるが、便宜上、２本用いている。励起光照射用のＭＭＦ３３ａには、コア径が 25 μm、NA（開口数）が 0.1、長さが 1 mのもの（以下、「粗い照射パターン生成用ＭＭＦ」とする）、および、コア径が 600 μm、NAが 0.21、長さが 1 mのもの（以下、「細かい照射パターン生成用ＭＭＦ」とする）の２種類を用いた。また、蛍光検出用のＭＭＦ３３ｂは、コア径が 200 μm、NAが 0.39、長さが 1 mである。
【００４７】
照射パターン制御部１４に対応するものとしてアクチュエータ３２を用い、励起光照射用のＭＭＦ３３ａの曲げ形状を変化させて照射パターンを変化させた。光源１３に対応するものとして、Nd:YAGレーザー３４を用いた。Nd:YAGレーザー３４からの励起光として、波長 532 nm、出力 48 mW の第２高調波（SHG）による励起パルスレーザ光を用いた。実験では、観察対象１として、蛍光波長 560 nm の量子ドットを表面に塗布した磨りガラス１ａを用いた。
【００４８】
図５に示すように、励起光照射用のＭＭＦ３３ａからの励起光を、磨りガラス１ａに照射し、その反射光をＣＣＤカメラ３１で撮影した。また、励起光の照射により発生した蛍光を、蛍光検出用のＭＭＦ３３ｂにより受光し、励起光成分を光学フィルタ３６で除去した後、冷却ＣＣＤを有する高感度分光器３７により検出した。励起光照射用のＭＭＦ３３ａの出射端および蛍光検出用のＭＭＦ３３ｂの受光端から磨りガラス１ａまでの距離は、11 cmである。なお、励起光照射用のＭＭＦ３３ａとして、粗い照射パターン生成用ＭＭＦおよび細かい照射パターン生成用ＭＭＦの２種類を用い、粗さの異なる２種類の照射パターンについて、それぞれ実験を行った。なお、光学フィルタ３６および高感度分光器３７が、蛍光検出部１６に対応している。
【００４９】
アクチュエータ３２によりＭＭＦ３３の曲率を増加させながら照射パターンを変化させ、それぞれ2500 個の反射光データおよび蛍光（発光）データを取得した。受光した2500 個の蛍光のうちの３つの蛍光スペクトルを、図６（ａ）に示す。また、2500 個の蛍光スペクトルをそれぞれ全波長領域で積分して得られた、2500 個の蛍光強度（蛍光データ）を、図６（ｂ）に示す。なお、図６（ａ）および（ｂ）は、粗い照射パターン生成用ＭＭＦを用いたときの結果である。
【００５０】
取得した各反射光データ（行列Ａ）と各蛍光データ（行列ｂ）とに基づいて、発光分布取得手段１７に対応するコンピュータ３５により、（２）式を利用して、磨りガラス１ａの各位置での相対蛍光強度（行列ｘ）を求めた。相対蛍光強度は、粗さの異なる２種類の照射パターンのそれぞれについて求め、50×50 ピクセルの蛍光分布として表示部１８に対応するモニタ３８に表示した。照射パターンが10枚、50枚、100枚、2500枚の場合について求められた蛍光分布を、図７に示す。図７には、粗さの異なる各照射パターン（反射光画像）の一例、および励起光の均一照射により得られた蛍光像も示す。
【００５１】
図７に示すように、照射パターンが粗いときには、照射パターンの枚数（Ｍ）が 50 枚でも、2500 枚のときと同等の画質が得られており、10 枚でもおおよその位置が視認できることが確認された。これに対し、照射パターンが細かいときには、蛍光を視認可能な画像を得るために、照射パターンの枚数Ｍ（測定回数）をより多くする必要があり、少なくとも 100 枚以上は必要であることが確認された。また、照射パターンの枚数が 2500 枚のときを比較すると、照射パターンが細かいときの方が、画像の分解能が高いことが確認された。
【００５２】
［蛍光イメージング実験−その２（マルチカラー）］
次に、観察対象１として、蛍光波長 570 nmおよび 650 nm の２種類の量子ドットを表面に塗布した磨りガラス１ａを用いて、マルチカラーイメージングの実験を行った。実験には、図５の装置を用いた。また、励起光照射用のＭＭＦ３３ａとして、粗い照射パターン生成用ＭＭＦを用いた。
【００５３】
アクチュエータ３２によりＭＭＦ３３の曲率を増加させながら照射パターンを変化させ、それぞれ2500 個の反射光データおよび蛍光（発光）データを取得した。受光した2500 個の蛍光のうちの３つの蛍光スペクトルを、図８（ａ）に示す。また、それぞれの蛍光スペクトルに対応する照射パターン（反射光画像）を、図８（ｂ）〜（ｄ）に示す。図８（ｂ）〜（ｄ）には、２つの量子ドットの位置を、破線の丸印で示す。図８に示すように、照射パターンに応じて、蛍光スペクトルの形状が大きく変化していることが確認された。
【００５４】
2500 個の蛍光スペクトルをそれぞれ、645〜665 nm の波長領域（Ｉ）、および、540〜570 nm の波長領域（ＩＩ）で積分して、各波長領域での蛍光強度（蛍光データ）を取得した。各波長領域について、取得した各反射光データ（行列Ａ）と各蛍光データ（行列ｂ）とに基づいて、コンピュータ３５により、（２）式を利用して、磨りガラス１ａの各位置での蛍光強度（行列ｘ）を求めた。相対蛍光強度は、50×50 ピクセルの蛍光分布としてモニタ３８に表示した。2500枚の照射パターンを用いて求められた各波長領域の蛍光分布を、図９（ａ）および（ｂ）に示す。また、それらを合成した蛍光分布を、図９（ｃ）に示す。
【００５５】
図９に示すように、波長の異なる２種類の量子ドットを、十分なコントラストでイメージングできていることが確認された。このことから、内視鏡システム１０は、マルチカラーイメージングにも有効であるといえる。
【００５６】
［生体組織を用いた蛍光イメージング実験］
生体組織での内視鏡システム１０の有効性を調べるため、観察対象１として、表面に量子ドットを塗布した皮付きの鶏肉を用いて実験を行った。生体組織では、表面の光の散乱状態は均一ではなく、組織の持つ吸収特性や反射特性により、照射パターンの測定精度に劣化が生じると考えられる。このため、照射パターンの測定精度の劣化が、得られる蛍光分布の画像に与える影響について確認した。
【００５７】
実験には、図５の装置を用いた。また、励起光照射用のＭＭＦ３３として、粗い照射パターン生成用ＭＭＦを用いた。アクチュエータ３２によりＭＭＦ３３の曲率を増加させながら照射パターンを変化させ、それぞれ50 個の反射光データおよび蛍光（発光）データを取得した。受光した50 個の蛍光のうちの３つの蛍光スペクトルを図１０（ａ）に、照射パターン（反射光画像）の一例を図１０（ｂ）に示す。図１０（ｂ）に示すように、鶏肉の組織の表面構造が筋のように照射パターンに重畳していることが確認された（図中の破線の丸印で囲んだ領域参照）。
【００５８】
50 個の蛍光スペクトルを全波長領域で積分して、蛍光強度（蛍光データ）を取得した。取得した各反射光データ（行列Ａ）と各蛍光データ（行列ｂ）とに基づいて、コンピュータ３５により、（２）式を利用して、鶏肉表面の各位置での相対蛍光強度（行列ｘ）を求めた。相対蛍光強度は、300×300 ピクセルの蛍光分布としてモニタ３８に表示した。50 枚の照射パターンを用いて求められた蛍光分布を、図１１に示す。
【００５９】
図１１に示すように、白い筋状の組織の表面構造が、特に量子ドットが塗布された位置周辺において残留しているが（図中の破線の丸印で囲んだ領域参照）、解が発散することなく蛍光分布が得られ、量子ドットの位置を視認できることが確認された。
【符号の説明】
【００６０】
１  観察対象
１ａ  磨りガラス
１０  内視鏡システム
１１  内視鏡本体
２１  内視鏡カメラ
２１ａ  受光レンズ
２１ｂ  画像検出部
２１ｃ  伝送ケーブル
１２  光ファイバ
１３  光源
１４  照射パターン制御部
１５  結合部
１６  蛍光検出部
２２  光学フィルタ
２３  分光器
１７  発光分布取得手段
１８  表示部
３１  ＣＣＤカメラ
３２  アクチュエータ
３３  ＭＭＦ（マルチモードファイバ）
３３ａ  （励起光照射用の）ＭＭＦ
３３ｂ  （蛍光検出用の）ＭＭＦ
３４  Nd:YAGレーザー
３５  コンピュータ
３６  光学フィルタ
３７  高感度分光器
３８  モニタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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