(57)【要約】【課題】観察画像の明るさ調整することなく、観察に要求される分光画像を表示する。【解決手段】特殊観察モードが選択されると、互いに離れたＲ，Ｇ，Ｂのピーク透過分布帯域をもつと同時にそれ以外の波長領域でも一様な透過分布特性を有するベースアップマルチバンドフィルタ２４を光路上へ配置する。そして、第２画像処理回路３４は、分光反射率の推定式を利用しながら、ピーク透過分布帯域の分光画像信号Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３を算出する。【選択図】図１
2011200364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも可視光領域の光を放射する光源と、
可視光領域において互いに離れた少なくとも2つのピーク透過分布帯域を有し、前記ピーク透過分布帯域以外のベース波長帯域において前記ピーク透過分布帯域の各ピーク値よりも小さい連続的透過分布特性をもつ光学フィルタであって、前記光源の照明光路上へ退避可能に配置される光学フィルタと、
少なくとも３つの色要素から構成されるカラーフィルタを配設した撮像素子と、
前記撮像素子から読み出される一連の色画素信号に基づいて、前記複数のピーク透過分布帯域に応じた分光画像信号を生成する分光画像生成手段と、
前記分光画像信号を色変換処理する色変換処理手段とを備え、
前記分光画像生成手段が、器官内壁表面を観察対象とした分光反射率の推定式に基づいて、前記分光画像信号を算出することを特徴とする内視鏡装置。
【請求項２】
前記ベース波長帯域の色画素信号成分を前記ピーク透過分布帯域の色画素信号成分に置き換えることによって、前記分光画像信号を算出することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
【請求項３】
前記分光反射率の推定式が、３つのピーク透過分布領域の応じた３つの色画素信号に対し、それぞれ定められた係数を乗じて分光反射率を推定する式であることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡装置。
【請求項４】
前記光学フィルタは、それぞれが互いに離れた少なくともＲ、Ｇ、Ｂに応じたピーク透過分布帯域を有することを特徴とする請求項1乃至３の記載の内視鏡装置。
【請求項５】
前記カラーフィルタが、Ｃｙ，Ｍｇ，Ｙｅ，Ｇの４つの色要素を市松状に配列させたフィルタであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内視鏡装置。
【請求項６】
前記光学フィルタを選択的に照明光路上へ配置するフィルタ位置決め手段をさらに有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内視鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、器官内壁層の深度に応じて異なる生体組織画像を内視鏡装置に関し、特に、狭帯域の特定波長光に基づく分光画像の生成処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
内視鏡装置として、観察対象である器官内壁層の深度に応じて互いに離散的な狭帯域の光を照射し、観察目的に応じた生体構造のイメージを鮮明に表示する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。そこでは、Ｒ，Ｇ，Ｂの光透過帯域をそれぞれ狭めた離散的ピーク分光特性をもつ（オーバラップ部分のない）狭帯域フィルタが、光路上に配置される。
【０００３】
器官内壁などの体内組織は、その深さ方向に沿って組織分布が異なる場合が多く、粘膜表層付近には毛細血管が多く分布し、中間層、深層部には太い血管が多く部分布する。一方、光の波長域によって内壁深層部への到達度は異なり、短波長の光は表層付近の組織に吸収され、あるいは散乱を受ける。一方、長波長の光は深層部まで到達する。その結果、粘膜表層付近の毛細血管画像、深層部の血管画像など、通常のフルカラー画像とは異なる観察画像が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６０７８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光路中に狭帯域フィルタを配置すると、撮像素子に到達する光の光量が不足する。光量不足を解決するためには、絞りを開いて光量を増加させるか、あるいは画像信号にゲインを掛けて光量不足を補う必要がある。
【０００６】
しかしながら、光量増加を行うと部分的な高輝度エリア（ハレーション）が発生しやすくなり、また、注目部位が適正な明るさで表示されない恐れがある。一方、ゲインによる画像処理を行うと、画像信号にノイズが生じ、観察画像の画質が低下する。
【０００７】
このように、狭帯域の光に基づく分光画像には、適正な明るさを維持しつつ高画質の観察画像を得ることが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の内視鏡装置は、少なくとも可視光領域の光を放射する光源と、可視光領域において互いに離れた少なくとも２つの別々のピーク透過分布帯域を有し、ピーク透過分布帯域以外のベース波長帯域においてピーク透過分布帯域の各ピーク値よりも小さい連続的透過分布特性をもつフィルタであって、光源の照明光路上へ退避可能に配置されるフィルタ（ここでは、光学フィルタという）と、少なくとも３つの色要素から構成されるカラーフィルタを照明光路上に配設した撮像素子と、撮像素子から読み出される一連の色画素信号に基づいて、複数のピーク透過分布帯域に応じた分光画像信号を生成する分光画像生成手段と、分光画像信号を色変換処理する色変換処理手段とを備える。
【０００９】
例えば、カラーフィルタは、Ｃｙ，Ｍｇ，Ｙｅ，Ｇの４つの色要素を市松状に配列させたフィルタであればよく、また、画素混合読み出し方式によって画素信号を読み出すようにすればよい。この場合、Ｒ，Ｇ，Ｂに応じたピーク透過分布帯域の光学フィルタを用いることが可能である。光学フィルタ、カラーフィルタは、照明光路上で任意の位置に配置可能であり、２つのフィルタを通った光が撮像素子に到達する。なお、照明光路は、光源から放射された光が被写体に反射して撮像素子に到達するまでの経路を示す。
【００１０】
本願発明の分光画像生成手段は、器官内壁表面を観察対象とした分光反射率の推定式に基づいて、分光画像信号を算出する。分光反射率の推定式は、例えば「分光画像処理入門」（三宅洋一編、東京大学出版会、２００６年２月発行、第２章〜第６章参照）に記載されているように、器官内壁粘膜など、画面全体の中の色調に偏りが多い観察対象のとき、数少ない主成分スペクトル（パラメータ）だけで観察対象の分光反射率を推定可能である。少なくとも２つのピーク透過分布帯域を与えれば色再現性を満足させることができ、例えば、通常のカメラシステムで生成されるＲ，Ｇ，Ｂに応じた画像信号成分だけで分光反射率を推定することができる。
【００１１】
本発明では、この推定式を利用して、カラーフィルタのある色要素に応じた画素（撮像）信号を算出する。例えば、ベース波長帯域の色画素信号成分を前記ピーク透過分布帯域の色画素信号成分に置き換えることによって、前記分光画像信号を算出することができる。これにより、ピーク帯域以外のベース波長域のスペクトル成分も抽出されることによって、光量調整、あるいはゲイン調整をすることなく、観察に必要な分光画像（バンド画像）が表示される。
【００１２】
算出方法としては、ベース波長帯域の色画素信号成分をピーク透過分布帯域の色画素信号成分に置き換えることによって、分光画像信号を算出するピーク透過分布帯域の画素信号成分とあらかじめ定められた係数だけによって表し、そこから分光画像信号を求めることが可能である。係数としては、撮像システム、カラーフィルタの分光透過特性、光源の分光分布特性などを含めた係数が定められる。
【００１３】
通常のカラー画像観察も行うようにするため、光学フィルタを選択的に照明光路上へ配置するフィルタ位置決め手段を設けるのがよい。
【発明の効果】
【００１４】
このように本発明によれば、観察画像の明るさ調整することなく、観察に要求される分光画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態である内視鏡装置のブロック図である。
【図２】ランプの分光分布特性を示した図である。
【図３】ベースアップマルチバンドフィルタの分光透過特性を示した図である。
【図４】補色カラーフィルタの分光透過特性を示した図である。
【図５】観察モード制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下では、図面を参照して本実施形態である走査型内視鏡装置について説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態である内視鏡装置のブロック図である。
【００１８】
内視鏡装置は、スコープ１０とプロセッサ２０とを備え、スコープ１０の先端部には、補色カラーフィルタ１６を配設したＣＣＤ１５が備えられている、スコープ１０はプロセッサ２０と着脱自在に接続可能であり、プロセッサ２０にはモニタ５０が接続される。
【００１９】
プロセッサ２０に設けられたランプ（ハロゲンランプ、キセノンランプなど）２２は、短波長領域から長波長領域に渡ってスペクトル分布をもつ白色光を放射する。放射された照明光は、集光レンズ２５を介してライトガイド１２の入射端１２Ｓに入射する。入射した光は、ライトガイド１２、配光レンズ１３を介してスコープ先端部から射出される。これにより、観察対象ＴＳが照明される。
【００２０】
観察対象ＴＳで反射した光は対物レンズ１４、カラーフィルタ１６を通ってＣＣＤ１５の受光面に到達し、その結果被写体像がＣＣＤ１５の受光面に形成される。撮像方式として、ここでは単板同時式が適用されており、カラーフィルタ１６は、Ｃｙ（シアン）、マゼンタ（Ｍｇ）、イエロー（Ｙｅ）、グリーン（Ｇ）から成る４つの色要素を市松状に配列させたフィルタアレイ構造となっている。
【００２１】
ＣＣＤ１５において発生する一連の画素信号は、所定のフレーム間隔でＣＣＤ１５から読み出され、プロセッサ２０へ送られる。画素信号の読み出し方式は、線順次色差方式に従う。すなわち、垂直方向に隣接する画素を上下切り替えながら交互に加算して読み出す。
【００２２】
プロセッサ２０に送られた一連の画素信号は、切替回路２８を介して第１画像処理回路３２へ送られる。第１画像処理回路３２では、増幅処理などの初期処理が行われるとともに、ホワイトバランス調整、ガンマ補正処理などの処理が行われる。これによってＲ，Ｇ，Ｂの画像信号が生成される。そして、画素補間処理により、各画素に対してＲ，Ｇ，Ｂの画素信号が生成される。
【００２３】
色変換処理回路３６では、ｓＲＧＢ空間など所定の色空間に適応するための色変換処理がＲ，Ｇ，Ｂの画像信号に対して実行される。色変換処理された画像信号がモニタ５０に出力されることによって、フルカラーの観察画像が動画像としてモニタ５０に表示される。
【００２４】
本実施形態では、上述した自然な色再現を目的とする通常観察モードに加え、器官内壁層の深度に応じた分光画像を生成する特殊観察モードによって観察することができる。プロセッサ２０のフロントパネルには、通常観察モードと特殊観察モードを選択する観察モードスイッチ４０が設けられている。
【００２５】
特殊観察モードが選択されると、光学フィルタ２４がランプ２２と集光レンズ２５との間に配置される。光学フィルタ２４は、Ｒ，Ｇ，Ｂに応じた複数の狭帯域ピーク分布特性を備えるとともに、そのピーク分布特性以外の波長領域においても、一様な透過分布特性を備えている（以下、ベースアップマルチバンドフィルタという）。光学フィルタ２４は、モータ２６の駆動によって選択的に光路上へ配置可能である。
【００２６】
光学フィルタ２４を通った光が観察対象ＴＳに照射されると、その反射光に基づく一連の画素信号がＣＣＤ１５から読み出され、プロセッサ２０へ送られる。プロセッサ２０の切替回路２８は、一連の画素信号を第２画像処理回路３４へ送る。
【００２７】
第２画像処理回路３４では、補間処理された後の一連の画素信号から、狭帯域なＲ，Ｇ，Ｂのピーク分布帯域の画像信号（以下、分光画像信号という）が抽出される。そして色変換処理回路３６では、期間内壁層構造に合わせた色変換処理施が分光画像信号に対して施される。これにより、観察対象の深度に応じて異なる色調パターンとなる分光画像が表示される。具体的には、内壁の粘膜表面付近の血管が茶色の色調パターンで、また、深層部の血管をシアン系の色調パターンで表示される。
【００２８】
システムコントロール回路３０は、プロセッサ２０の動作を制御し、観察モードスイッチ４０からの操作信号に応じてモータ２６、切替回路２８、色変換処理回路３６へ制御信号を出力する。また、システムコントロール回路３０は、ランプ２２とライトガイド１２との間に設けられた絞り機構（図示せず）を制御し、光量調整を行う。
【００２９】
図２は、ランプの分光分布特性を示した図である。図３は、ベースアップマルチバンドフィルタの分光透過特性を示した図である。図４は、補色カラーフィルタの分光透過特性を示した図である。図２から図４を用いて、分光画像信号の生成について説明する。
【００３０】
図３に示すように、ベースアップマルチバンドフィルタ２４は、Ｒ、Ｇ，Ｂに応じた透過分布特性をもち、狭帯域でそれぞれ離れた３つのピーク透過分布帯域をもつ。各ピーク透過分布領域は、ガウス分布型の分布曲線によって表される４００ｎｍ、５５０ｎｍ付近、６５０ｎｍ付近にＧ，Ｂ，Ｒに応じたピーク透過分布帯域が存在する。
【００３１】
さらに、３つのピーク透過分布帯域を除く波長領域全体には、０よりも相対的スペクトル値が大きく、３つのピーク値よりも十分に小さい（例えば半分以下）ベース帯域のスペクトルが一様なスペクトル値で分布している。ここでは、およそ３８０ｎｍ〜１０００ｎｍまでの範囲でベース透過帯域が存在する。
【００３２】
図２に示す分光分布特性をもつ照明光は、図３に示す分光透過特性をもつ光学フィルタ２４を通過する。そして、観察対象において反射した光は、観察対象の分光反射率に基づいたスペクトル分布を有し、その反射光は、図４に示す分光透過特性の補色カラーフィルタ１５を通過する。
【００３３】
したがって、ＣＣＤ１６から得られるＣｙ，Ｍｇ，Ｙｅ、Ｇの色要素に応じた画素信号は、短波長から長波長に渡る全体のスペクトル成分を取り入れた画素信号になっており、階層的な組織構造パターンの分光画像を表示するためには、Ｒ，Ｇ，Ｂのピーク透過分布帯域の分光画像信号Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３を抽出する必要がある。
【００３４】
そこで、本実施形態では、器官内壁表面粘膜層などの特定の観察対象を条件とした分光反射率の推定式に基づいて、分光画像信号Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３を算出する。以下、その算出方法について説明する。
【００３５】
Ｃｙ、Ｍｇ、Ｙｅ、Ｇの各色要素に応じた色画素（撮像）信号（以下では、同じ符号Ｃｙ、Ｍｇ、Ｙｅ、Ｇで表す）は、以下の式によって表される。
【００３６】
【数１】
2011200364.tif 000003
【００３７】
Ｌ（λ）は、ランプ２２から放射される照明光の分光反射率を表し、ＭＢＦ（λ）は、ベースアップマルチバンドフィルタ２４の分光透過率を示す、また、Ｆ（λ）は、補色カラーフィルタ１５の分光透過率を表し、Ｓ（λ）は、ＣＣＤ分光感度およびその他の撮像システム全体の分光特性を表す。そして、Ｒ（λ）は、観察対象となる器官内壁の分光反射率を示す。
【００３８】
ここで、Ｃｙの画素信号を例にとって波長領域ごとに分離すると、以下の式によって表される。
【００３９】
【数２】
2011200364.tif 000004
【００４０】
上記式は、ベース透過帯域Ｉｂ１、Ｉｂ２、Ｉｂ３、そしてピーク透過分布帯域Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３に分離して画素信号を表した式であり、以下のように置き換えられる。
【００４１】
【数３】
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【００４２】
ところで、観察対象が胃粘膜、大腸粘膜など器官内壁粘膜の場合、その観察対象すべての（全画素の）分光反射率は、Ｒ，Ｇ，Ｂに応じた画素信号だけで推定することができる。具体的には、Ｒ，Ｇ、Ｂの画素信号をＩｒ、Ｉｇ、Ｉｂとすると、所定の波長領域の分光反射率は、あらかじめ（経験的に）その波長領域に定められた係数Ａ，Ｂ、Ｃを乗じる（Ａ×Ｉｒ＋Ｂ×Ｉｇ＋Ｃ×Ｉｂ）ことによって明らかになる。
【００４３】
波長領域全体に渡った係数が統計的に定められていることから、観察対象全域（すなわち、観察画像の各画素）の分光反射率（スペクトル分布）を明らかにすることができる。このことは、ある特定波長領域の画素信号を、Ｒ，Ｇ，Ｂに応じた画素信号、すなわちピーク透過分布帯域の画素信号成分だけで表すことができることを意味する。
【００４４】
したがって、上記式（３）のベース透過帯域成分Ｉｂ１、Ｉｂ２、Ｉｂ３をピーク成分Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３で置き換えることにより、以下の式が導き出される。  ただし、係数αｊｉは、ベース透過帯域における分光反射率の推定式からあらかじめ定められた係数であり、また、補色カラーフィルタ１５の分光透過特性、撮像システムの分光感度特性などを加味した係数である。
【００４５】
【数４】
2011200364.tif 000006
【００４６】
他の画素信号Ｍｇ、Ｙｅ、Ｇについても、以下の式に示すように、ピーク成分だけで表すことができる。
【００４７】
【数５】
2011200364.tif 000007
【００４８】
数式（４）、（５）において未知数であるのは、３つのピーク信号成分Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３である。したがって、この２つの式から、ピーク透過分布帯域の信号成分Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３が分光画像信号として算出される。
【００４９】
図５は、観察モード制御のフローチャートである。
【００５０】
特出観察モードが選択されていない場合、通常観察処理が実行される（Ｓ１０１、Ｓ１０２）。すなわち、ベースアップマルチバンドフィルタ２４は光路上から退避した位置にあり、また、通常のＲ，Ｇ，Ｂ画像信号を生成するように色変換処理回路３６が制御される。
【００５１】
一方、特殊観察モードが選択されると、ベースアップマルチバンドフィルタ２４が光路上に配置される（Ｓ１０３）。そして、ピーク透過分布帯域の分光画像信号に合わせた色変換処理を行うように、色変換処理回路３６が制御される。観察が終了するまで（Ｓ１０５）、Ｓ１０１〜Ｓ１０４が繰り返し実行される。
【００５２】
このように本実施形態によれば、特殊観察モードが選択されると、Ｒ，Ｇ，Ｂに応じた離散的ピーク透過分布帯域をもつと同時にそれ以外の波長領域でも一様な透過分布特性を有するベースアップマルチバンドフィルタ２４が光路上に選択的に配置される。そして、第２画像処理回路３４では、ピーク透過分布帯域の分光画像信号Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３が算出される。
【００５３】
従来の狭帯域フィルタをオフセットさせたような分光透過特性をもつため、短波長から長波長領域全域に渡り色信号成分が抽出される。これにより、光量調整、ゲイン調整することなく、分光画像信号を得ることができ、器官内壁を様々な層レベルの画像パターンで表示することができる。
【００５４】
ベースアップマルチバンドフィルタ（光学フィルタ）の分光透過特性は、上記特性に限定されず、４つ以上のピーク透過特性をもつようにしてもよい。それに合わせて補色成分を増やして算出すればよい。また、ピーク透過分布帯域の波長領域も短波長、長波長、その中間波長領域の条件を満たす範囲で波長帯域幅、分布曲線特性も含めて適宜設定可能であり、分光反射率の推定式を利用できる範囲で調整可能である。一方、ベース透過帯域についても、相対スペクトル値を調整可能であり、すべての波長領域について色信号成分が抽出可能な範囲で設定すればよい。
【００５５】
さらに、分光反射率の推定に関して言えば、Ｒ，Ｇ，Ｂに応じた３つのスペクトル成分を主成分として分光反射率を推定することに限定されず、主成分分析（Principal Component Analysis）などを通じて、少なくとも２つのスペクトル主成分、すなわちピーク透過分布帯域を設けるようにベースアップマルチバンドフィルタを構成することも可能である。
【００５６】
例えば、Ｇとともに、Ｂに応じた中間波長域において２つの互いに離れたスペクトル成分（Ｂ１，Ｂ２）をもつベースアップマルチバンドフィルタを構成してもよい。あるいは、（Ｇ，Ｂ）の２つのピーク透過分布帯域だけのベースアップマルチバンドフィルタを使用しても、色再現性についてほとんど問題なく分光画像を得ることができる。また、ウィナー推定など、統計的データを使用しない推定方法を適用してもよい。
【００５７】
色変換処理については、器官内壁を階層的に表示する処理に限定されず、通常の自然な色再現を含ませた色変換処理、ヘモグロビンの吸収特性を調べる画像を表示するための色変換処理など、周知の色変換処理を適用することも可能である。
【００５８】
撮像素子に配設されるカラーフィルタとしては、上記補色フィルタ以外を適用してもよく、その場合、画素混合読み出し方式以外の方法で画素信号を読み出すようにすることも可能である。分光反射率の推定式を考慮した上で、少なくとも３つの色要素からカラーフィルタを構成することが可能である。また、カラーフィルタを撮像素子の受光面上に配設する代わりに、撮像面と離れた光路上に独立配置するように構成してもよく、ベースアップマルチバンドフィルタ、カラーフィルタにおいては、光源から撮像素子までの光路上に配置するように構成すればよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０  ビデオスコープ
１５  補色カラーフィルタ
１６  ＣＣＤ（撮像素子）
２０  プロセッサ
２４  ベースアップマルチバンドフィルタ（光学フィルタ）
３４  第２画像処理回路（分光画像生成手段）
３６  色変換処理回路
【図１】
2011200364.tif 000008
【図２】
2011200364.tif 000009
【図３】
2011200364.tif 000010
【図４】
2011200364.tif 000011
【図５】
2011200364.tif 000012