(57)【要約】【課題】  生体内でリアルタイムに細胞観察を実現するためのビデオシステム及び前記ビデオシステムを用いた生体細胞の観察方法及び生体細胞観察用の内視鏡を提供する。【解決手段】  結像倍率が１より大きい対物光学系と照明光学系を有するビデオモジュール２と照明光を供給する光源１とを備えたビデオシステムであって、光源１には、青色波長領域、緑色波長領域、赤色波長領域の照明光うち、青色波長領域又は赤色波長領域の照明光を２つの波長帯Ｔ１、Ｔ２に分割し、緑色波長領域に近い波長帯Ｔ１を遮断する波長帯選択手段８が設けられている。【選択図】  図３
2004313772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像倍率が１より大きい対物光学系と照明光学系を有するビデオモジュールと、照明光を供給する光源とを備えたビデオシステムであって、
前記光源には、青色波長領域、緑色波長領域、赤色波長領域の照明光うち、青色波長領域又は赤色波長領域の照明光を２つの波長帯Ｔ１、Ｔ２に分割し、緑色波長領域に近い波長帯Ｔ１を遮断する波長帯選択手段が設けられていることを特徴とするビデオシステム。
【請求項２】
前記波長帯Ｔ１は６００nm〜７００nmであることを特徴とする請求項１に記載のビデオシステム。
【請求項３】
観察装置と照明装置を備えた内視鏡であって、
前記観察装置は対物光学系を含み、該対物光学系の合焦位置における対物光学系の観察視野と照明装置の照野が分離していることを特徴とする内視鏡。
【請求項４】
結像倍率が１より大きい対物光学系を有するビデオモジュールを含んだ内視鏡であって、
前記内視鏡は照明装置を備え、前記ビデオモジュールの合焦位置におけるビデオモジュールの観察視野と照明装置の照野が重ならないようにビデオモジュールと照明装置が配置されていることを特徴とする内視鏡。
【請求項５】
第１の照明手段と、第１の照明手段に対向して設けられた第２の照明手段とにより、前記第１の照明手段と第２の照明手段の間に位置する被写体の観察視野を照明し、観察する方法であって、
第２の照明手段は第１の照明手段からの照明光を散乱することで観察視野を照明するステップを含むことを特徴とする観察方法。
【請求項６】
請求項５に記載の観察方法であって、
第１の照明手段が被写体の観察視野外から第２の照明手段に照明光を照射するステップを更に含むことを特徴とする観察方法。
【請求項７】
請求項３の内視鏡を用いて生体組織の上皮細胞を観察する方法であって、
照明システムが照射した照明光を上皮細胞より下層に位置する実質組織で散乱・反射させることで上皮細胞を照明するステップを含むことを特徴とする観察方法。
【請求項８】
請求項４の内視鏡を用いて生体組織の上皮細胞を観察する方法であって、
内視鏡の照明系が上皮細胞より下層に位置する実質組織に対して照明光を照射するステップと、
内視鏡の照明系が照射した照明光を実質組織で散乱・反射させることで上皮細胞を照明するステップと、を含むことを特徴とする観察方法。
【請求項９】
生体組織の拡大画像を基にして、視野範囲に捉えられた細胞核の数から細胞の大きさを評価し、または視野範囲に捉えられた細胞核の間隔から核の密集度を評価して細胞の異常を判断する生体内細胞観察方法であって、
画像化する生体組織の細胞へ青色または赤色の波長吸収特性をもつ色素を導入するステップと、
前記吸収波長を含んだ光を細胞に照射するステップと、
細胞を構成する細胞核とその他の部分との色素の定着速度の差を利用して、細胞核のコントラストを強調するステップと、
視野範囲に捉えられた数十乃至数百の細胞核を表示するステップと、を含むことを特徴とする生体内細胞観察方法。
【請求項１０】
請求項１に記載のビデオシステムで得られた生体組織の拡大画像を基にして、視野範囲に捉えられた細胞核の数から細胞の大きさを評価し、または視野範囲に捉えられた細胞核の間隔から核の密集度を評価して細胞の異常を判断する生体内細胞観察方法であって、
画像化する生体組織の細胞へ青色波長帯または赤色波長帯の光を吸収する特性を付加するステップと、
前記波長吸収帯を２つの波長帯Ｔ１、Ｔ２に分割し、緑色波長領域に近い波長帯Ｔ１を遮断した照明光を細胞に照射するステップと、
細胞を構成する細胞核とその他の部分での波長帯Ｔ２の光の吸収量の差を利用して、細胞核のコントラストを強調するステップと、
視野範囲に捉えられた数十乃至数百の細胞核を表示するステップと、を含むことを特徴とする生体内細胞観察方法。
【請求項１１】
生体組織の拡大画像を基にして、視野範囲に捉えられた細胞の細胞壁に囲まれた領域に占める核の大きさの割合を評価して細胞の異常を判断する生体内細胞観察方法であって、
画像化する生体組織の細胞へ青色または赤色の波長吸収特性をもつ色素を導入するステップと、
前記吸収波長を含んだ光を細胞に照射するステップと、
細胞を構成する細胞核とその他の部分との色素の定着速度の差を利用して、細胞核のコントラストを強調するステップと、
視野範囲に捉えられた数個の細胞核を表示するステップと、を含むことを特徴とする生体内細胞観察方法。
【請求項１２】
請求項１に記載のビデオシステムで得られた生体組織の拡大画像を基にして、視野範囲に捉えられた細胞の細胞壁に囲まれた領域に占める核の大きさの割合を評価して細胞の異常を判断する生体内細胞観察方法であって、
画像化する生体組織の細胞へ青色波長帯または赤色波長帯の光を吸収する特性を付加するステップと、
前記波長吸収帯を２つの波長帯Ｔ１、Ｔ２に分割し、緑色波長領域に近い波長帯Ｔ１を遮断した照明光を細胞に照射するステップと、
細胞を構成する細胞核とその他の部分での波長帯Ｔ２の光の吸収量の差を利用して、細胞核のコントラストを強調するステップと、
視野範囲に捉えられた数個の細胞核を表示するステップと、を含むことを特徴とする生体内細胞観察方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の生体内細胞観察方法であって、
生体組織の拡大画像を取得するのに内視鏡が用いられ、該内視鏡の対物光学系の物体側開口数が０．３以上であることを特徴とする生体内細胞観察方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の生体内細胞観察方法であって、
観察に使用されるビデオモジュールの対物光学系の物体側開口数が０．３以上であることを特徴とする生体内細胞観察方法。
【請求項１５】
請求項５に記載の観察方法に用いることを特徴とする内視鏡。
【請求項１６】
請求項６に記載の観察方法に用いることを特徴とする内視鏡。
【請求項１７】
請求項９に記載の生体内細胞観察方法に用いることを特徴とする内視鏡。
【請求項１８】
請求項１１に記載の生体内細胞観察方法に用いることを特徴とする内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体内の細胞観察に適した拡大ビデオシステムと生体内の細胞を観察するための内視鏡と生体内での細胞観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来内視鏡は生体内部の組織を観察して、病変部分を見落しなく検査できるように９０°から１４０°程度の広い視野角を有している。
【０００３】
この従来内視鏡は被写体との距離を変えることで観察対象の拡大像と縮小像を得るため、例えば３mmから５０mmの範囲がフォーカス調整なしに観察できるように固定焦点で深い被写界深度を有している。
【０００４】
前記従来内視鏡の画像表示倍率は、１４インチサイズのモニタ画面上で、概ね３０倍〜５０倍程度であり、病変組織を観察するには充分な倍率を有している。
従来内視鏡でさらに拡大観察したい場合はズーム光学系が利用される。ズーム光学系の最大倍率は１４インチサイズのモニタ画面上で概ね７０倍程度である。ズーム光学系はズームレンズ稼動部を内蔵するため、内視鏡先端挿入部の外径が１０mm以上に太くなることと、内視鏡観察時の操作の複雑さにより限定的に適用される。
【０００５】
ここで、従来内視鏡で観察対象としている生体組織について、又それらが被写体として観察可能な理由について図１を用いて説明する。従来内視鏡で観察対象としている生体組織は、血管などが走行している実質組織とその上層の透明な上皮細胞とで構成されている。内視鏡により上方から落斜照明された照明光は透明な上皮細胞を透過して実質組織に到達し、そこで散乱されて（図中Ａ１、Ａ２）そのほとんどが再び上皮細胞へ入射する。照明光が上皮細胞を透過する際には、細胞壁や細胞核によって光の回折（図中Ｂ１、Ｂ２）が生じるが、微小な強度であるため、実質組織で散乱される光の強度が支配的となる。その結果、実質組織のみが従来内視鏡の対物光学系を介して観察される。
【０００６】
ごく微小な病変など、組織画像の所見からでは異常の有無の判断が困難な場合には、内視鏡で観察しながら、処置具を用いて疑わしい組織の採取が行われる。採取された組織は、顕微鏡により細胞レベルでの検査が行われる。内視鏡は対物光学系の周囲に照明光学系を配置して落斜照明をするのに対し、顕微鏡では標本を挟んで対物光学系と照明光学系を対向配置して、標本を背面から透過照明することにより観察する。標本は観察に適した状態に予め加工される。例えば、散乱を抑えて光を透過しやすくするために、実質組織を取り除いたり、薄くスライスしたり、染色によりコントラストを付ける等の処置が行われる。
【０００７】
図２を用いてこれらの標本が顕微鏡で観察可能な理由を説明する。準備された標本はカバーガラスの上に固定され下方から照明される。照明光は標本を透過する際に細胞壁や細胞核で回折され、それらの回折光が互いに干渉して強め合ったり弱め合ったりすることでコントラストが生じるため、上方の対物光学系により標本の観察が可能になる。
【０００８】
生体内部に挿入可能で細胞観察に必要な分解能を有するものとしてはレーザ走査型の共焦点内視鏡が提案されている。共焦点光学系は像面と共役な位置にエアリディスク程度のピンホールを配置し、視野範囲にある被写体からポイント毎に回折限界程度の情報を取得するように構成されている。投光光学系により被写体に対してレーザ光を走査して、被写体からの反射光から得られるポイント毎の情報を合成して平面や立体に関する情報を画像として構築する。平面内の横方向のみならず、深さ方向にも高い分解能を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
生体組織を体外に取り出して診断を行う従来の方法では、組織の異常の有無を判定するのに数日から数週間の時間を要している。また、観察する細胞の標本は採取した組織のごく一部分を分離、固定したものである。したがって、単に細胞構造としての情報は得られるが、生体内の環境とは著しく異なるため、例えば細胞を満たしている体液の還流状態などを含んだ機能的な情報を得ることができない。そこで、生体内部の細胞をそのままの状態でリアルタイムに観察できる拡大内視鏡へのニーズがある。
【００１０】
生体内部の疾患を細胞レベルで画像化するためには、顕微鏡に匹敵する高い結像倍率と高い分解能を有する対物光学系を備えた小型のビデオモジュールが必要となるが、従来の内視鏡の対物光学系は上記の必要とされる仕様を満足していない。従来の内視鏡では、図１を用いて説明したように、照明光が上皮細胞を透過する際に細胞壁や細胞核によって光の回折（図中Ｂ１、Ｂ２）が生じるが、微小な強度のため、実質組織で散乱される光（図中Ａ１、Ａ２）の強度が支配的となる。その結果、上皮組織からの情報は埋もれてしまい、実質組織からの情報のみが従来内視鏡の対物光学系を介して画像化されてしまう。
【００１１】
また、顕微鏡の対物光学系は性能面では満足するものの、大型であり生体への導入は不可能である。また、レーザ走査型の共焦点内視鏡は、走査スピードに課題があり、生体内のリアルタイム観察を実現するには至っていない。
【００１２】
以上のように、生体細胞を観察するのに必要な仕様を満足するビデオシステムは現在のところ実現されていない。
本発明の目的は、上述の課題を解決して、生体内でのリアルタイムの細胞観察を実現するためのビデオシステムを提供すること、および前記ビデオシステムを用いた生体細胞の観察方法を提供すること、および生体細胞観察用の内視鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するために、本発明のビデオシステムは以下の特徴を有している。
（１）  結像倍率が１より大きい対物光学系と照明光学系を有するビデオモジュールと、照明光を供給する光源とを備えたビデオシステムであって、
前記光源には、青色波長領域、緑色波長領域、赤色波長領域の照明光うち、青色波長領域又は赤色波長領域の照明光を２つの波長帯Ｔ１、Ｔ２に分割し、緑色波長領域に近い波長帯Ｔ１を遮断する波長帯選択手段が設けられていることを特徴とするビデオシステム。
（２）  前記（１）項において、前記波長帯Ｔ１は６００nm〜７００nmであることを特徴とするビデオシステム。
【００１４】
又、前記課題を解決するために、本発明の内視鏡は以下の特徴を有している。
（３）  観察装置と照明装置を備えた内視鏡であって、
前記観察装置は対物光学系を含み、該対物光学系の合焦位置における対物光学系の観察視野と照明装置の照野が分離していることを特徴とする内視鏡。
（４）  結像倍率が１より大きい対物光学系を有するビデオモジュールを含んだ内視鏡であって、
前記内視鏡は照明装置を備え、前記ビデオモジュールの合焦位置におけるビデオモジュールの観察視野と照明装置の照野が重ならないようにビデオモジュールと照明装置が配置されていることを特徴とする内視鏡。
【００１５】
又、前記課題を解決するために、本発明の生体内細胞観察方法は以下の特徴を有している。
（５）  第１の照明手段と、第１の照明手段に対向して設けられた第２の照明手段とにより、前記第１の照明手段と第２の照明手段の間に位置する被写体の観察視野を照明し、観察する方法であって、
第２の照明手段は第１の照明手段からの照明光を散乱することで観察視野を照明するステップを含むことを特徴とする観察方法。
（６）  前記（５）項において、第１の照明手段が被写体の観察視野外から第２の照明手段に照明光を照射するステップを更に含むことを特徴とする観察方法。
（７）  前記（３）項の内視鏡を用いて生体組織の上皮細胞を観察する方法であって、
照明システムが照射した照明光を上皮細胞より下層に位置する実質組織で散乱・反射させることで上皮細胞を照明するステップを含むことを特徴とする観察方法。
（８）  前記（４）項の内視鏡を用いて生体組織の上皮細胞を観察する方法であって、
内視鏡の照明系が上皮細胞より下層に位置する実質組織に対して照明光を照射するステップと、
内視鏡の照明系が照射した照明光を実質組織で散乱・反射させることで上皮細胞を照明するステップと、を含むことを特徴とする観察方法。
（９）  生体組織の拡大画像を基にして、視野範囲に捉えられた細胞核の数から細胞の大きさを評価し、または視野範囲に捉えられた細胞核の間隔から核の密集度を評価して細胞の異常を判断する生体内細胞観察方法であって、
画像化する生体組織の細胞へ青色または赤色の波長吸収特性をもつ色素を導入するステップと、
前記吸収波長を含んだ光を細胞に照射するステップと、
細胞を構成する細胞核とその他の部分との色素の定着速度の差を利用して、細胞核のコントラストを強調するステップと、
視野範囲に捉えられた数十乃至数百の細胞核を表示するステップと、を含むことを特徴とする生体内細胞観察方法。
（１０）  前記（１）項のビデオシステムで得られた生体組織の拡大画像を基にして、視野範囲に捉えられた細胞核の数から細胞の大きさを評価し、または視野範囲に捉えられた細胞核の間隔から核の密集度を評価して細胞の異常を判断する生体内細胞観察方法であって、
画像化する生体組織の細胞へ青色波長帯または赤色波長帯の光を吸収する特性を付加するステップと、
前記波長吸収帯を２つの波長帯Ｔ１、Ｔ２に分割し、緑色波長領域に近い波長帯Ｔ１を遮断した照明光を細胞に照射するステップと、
細胞を構成する細胞核とその他の部分での波長帯Ｔ２の光の吸収量の差を利用して、細胞核のコントラストを強調するステップと、
視野範囲に捉えられた数十乃至数百の細胞核を表示するステップと、を含むことを特徴とする生体内細胞観察方法。
（１１）  生体組織の拡大画像を基にして、視野範囲に捉えられた細胞の細胞壁に囲まれた領域に占める核の大きさの割合を評価して細胞の異常を判断する生体内細胞観察方法であって、
画像化する生体組織の細胞へ青色または赤色の波長吸収特性をもつ色素を導入するステップと、
前記吸収波長を含んだ光を細胞に照射するステップと、
細胞を構成する細胞核とその他の部分との色素の定着速度の差を利用して、細胞核のコントラストを強調するステップと、
視野範囲に捉えられた数個の細胞核を表示するステップと、を含むことを特徴とする生体内細胞観察方法。
（１２）  前記（１）項のビデオシステムで得られた生体組織の拡大画像を基にして、視野範囲に捉えられた細胞の細胞壁に囲まれた領域に占める核の大きさの割合を評価して細胞の異常を判断する生体内細胞観察方法であって、
画像化する生体組織の細胞へ青色波長帯または赤色波長帯の光を吸収する特性を付加するステップと、
前記波長吸収帯を２つの波長帯Ｔ１、Ｔ２に分割し、緑色波長領域に近い波長帯Ｔ１を遮断した照明光を細胞に照射するステップと、
細胞を構成する細胞核とその他の部分での波長帯Ｔ２の光の吸収量の差を利用して、細胞核のコントラストを強調するステップと、
視野範囲に捉えられた数個の細胞核を表示するステップと、を含むことを特徴とする生体内細胞観察方法。
（１３）  前記（１１）項において、生体組織の拡大画像を取得するのに内視鏡が用いられ、該内視鏡の対物光学系の物体側開口数が０．３以上であることを特徴とする生体内細胞観察方法。
（１４）  前記（１２）項において、観察に使用されるビデオモジュールの対物光学系の物体側開口数が０．３以上であることを特徴とする生体内細胞観察方法。
【００１６】
又、前記課題を解決するために、本発明の内視鏡は以下の特徴を有している。
（１５）  前記（５）項の観察方法に用いることを特徴とする内視鏡。
（１６）  前記（６）項の観察方法に用いることを特徴とする内視鏡。
（１７）  前記（９）項の生体内細胞観察方法に用いることを特徴とする内視鏡。
（１８）  前記（１１）項の生体内細胞観察方法に用いることを特徴とする内視鏡。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、拡大ビデオシステム、内視鏡及びそれらを用いた観察方法により、生体内の細胞をリアルタイムで観察することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の拡大ビデオシステムを内視鏡に適用し、生体細胞を観察する場合について説明する。
【００１９】
この場合、まず病変組織を広い体腔内で見落とし無く検査するために、広角な視野を有する従来の内視鏡で観察する。次に、従来の内視鏡の組織画像からは病変組織であるか否か判断しにくい部位に対して、本発明の拡大ビデオシステムを適用した内視鏡（以下、単に拡大内視鏡と呼ぶ）を用いて細胞レベルでの観察を行う。
【００２０】
細胞の拡大観察を行う際には、必要に応じて予め色素散布を行う。色素散布後に一定の時間を経過させると、細胞を構成する細胞核やその他の部分が色素を排出する時間の差を利用して被写体にコントラストを付けることができる。その後、従来内視鏡で観察しながら拡大内視鏡を観察したい部位に誘導し、先端を被写体に密着させて固定する。ＴＶモニタ上には従来の内視鏡の組織画像と拡大内視鏡の細胞画像が同時に表示されるようになっているのが好ましい。これにより、広い観察視野で注目する微小領域へ確実に誘導して細胞核や細胞壁などの拡大観察を行うことができる。
【００２１】
本発明の拡大ビデオシステムを詳細に説明する前に、拡大ビデオシステムに用いられるビデオモジュールに要求される仕様について述べる。
初めに、細胞の微細構造を可視化するのに必要な倍率について説明する。モニタ上での観察倍率βmは次式で与えられる。
【００２２】
βm＝βo×βd
ここでβoは対物光学系の倍率であり、被写体を撮像素子に結像する倍率である。βdは表示倍率であり、モニタ表示画面サイズを撮像素子の表示画面サイズで除したものである。
【００２３】
従来の内視鏡で実現できる１４インチモニタ上での観察倍率は３０倍〜５０倍程度である。また、拡大機能を有するズーム光学系では７０倍程度の倍率である。細胞観察には１４インチモニタ上で概ね２００倍から２０００倍程度の観察倍率が必要となる。そのための対物光学系は以下の条件を満足することが望ましい。
【００２４】
１＜|βo|≦１０      ・・・(1)
但し、βoは対物光学系の倍率である。
０．９≦|cosｗｙ'／cosｗｙ|≦１．１      ・・・(3)
但し、ｗｙ'は最大視野角に対応する主光線が撮像面に入射する角度、ｗｙは視野角の半分を表している。この条件式の下限を下回ると、撮像素子への入射角度が大きくなり、視野内で画質（例えば色再現性や明るさなど）の均一性を保てない。また、この条件式の上限を上回ると視野角が大きくなり、必要な倍率が確保できない。
【００２５】
次に分解能について説明する。
病変組織はミリ又はサブミリ程度の分解能で識別できるが、細胞を観察する場合にはミクロン又はサブミクロン単位の分解能が必要である。また、透明で屈折率差が小さく低コントラストな被写体の微細情報を画像化するためには、被写体からの回折光の干渉を利用してコントラストを強調する必要がある。このため、対物光学系は高次の回折光を取り込めるよう、物体側開口数ＮＡを大きくする必要があり、以下の条件を満足することが望ましい。
【００２６】
０．１≦ＮＡ≦０．８      ・・・(4)
特に細胞壁を観察する場合には以下の条件を満足することが望ましい。
０．３≦ＮＡ≦０．８      ・・・(4')
更に、高いコントラストと画像の精細さを両立させるために、対物光学系の分解能は撮像素子のピッチで決まる分解能より高く、回折限界で決まる分解能より低く設定する必要があり、以下の条件を満足することが望ましい。
【００２７】
０．１≦｜ｐ×（ＮＡ）2／（０．６１×λ×βo）｜≦０．８      ・・・(6)
但し、ｐは撮像素子のピクセルサイズ、ＮＡは対物光学系の物体側開口数、λはｅライン波長0.546[μm]、βoは対物光学系の倍率である。この条件式の下限を下回ると充分なコントラストが得られない。また、この条件式の上限を上回ると収差補正が困難になり精細な画像が得られない。
【００２８】
次に小型化について説明する。
例えば従来内視鏡の処置具挿通チャンネルを通過させて拡大内視鏡を被写体まで導くには、拡大内視鏡の外径をφ４mm以下とすることが望ましい。それに伴い対物光学系の外径はφ２mm以下程度にまで小型化することが望ましい。
【００２９】
高い結像倍率と高い分解能を有し、さらに小型の対物光学系としては、物体側から順に正の焦点距離を有するレンズ群と明るさ絞りとを含んで構成され、以下の条件を満足することが望ましい。
【００３０】
０．２≦φ１／（φ２×ｆ１）≦２      ・・・(5)
但し、φ１は明るさ絞りの開口径、φ２は対物光学系の最大外径、ｆ１は正の焦点距離を有するレンズ群の焦点距離である。
【００３１】
この条件式は、高ＮＡ化に伴って対物光学系の口径が大きくなるのを避け、小型化を達成するための条件であり、条件式の下限を下回ると全長や外径が大きくなり対物光学系の小型化が困難になる。また、条件式の上限を上回ると収差補正が困難になる。
【００３２】
更に、周辺まで曲がりのない視野を得るためには、対物光学系を物体側から順に正の焦点距離を有する前群と明るさ絞りと正の焦点距離を有する後群とから構成することが望ましい。この時、小型化と高倍率を両立するために以下の条件を満足することが望ましい。
【００３３】
２≦ｆ２／ｆ１≦１０      ・・・(2)
但し、ｆ１は前群の焦点距離、ｆ２は後群の焦点距離である。この条件式の下限を下回ると必要な倍率が確保できない。また、条件式の上限を上回ると全長や外径が大きくなり小型化が困難になる。
【００３４】
以下、本発明のビデオモジュールの実施例を示す。
（実施例１）
図１１は実施例１のレンズ断面図、表１はレンズデータを示す。
【００３５】
以下、図１１（ａ）を参照して実施例１の構成について説明する。
対物ユニットは対物枠１０２に同一の外径で構成された対物レンズ群１０１を内蔵する。対物レンズ群１０１は、物体側から順に正の焦点距離を有する第１群と明るさ絞り１０３と正の焦点距離を有する第２群とにより構成される。撮像素子１０５はカバーガラス１０４を介して撮像枠１０６に固定され、撮像ユニットを構成する。
【００３６】
ビデオモジュールは対物ユニットと撮像ユニットとの間隔１０７を変えることでピント調整を行う。拡大内視鏡の挿入部は、先端硬質部１０８と外表部１１０から構成される。ビデオモジュールは中間部材１０９を介して挿入部内に固定される。
【００３７】
図１１（ｂ）は図１１（ａ）をＡ矢印の方向から見た断面を示す。中間部材１０９は外周に切り欠き部（図中の斜線部）が設けられ、その部分には照明用ファイバ１１１が内装されて挿入部に固定されている。先端硬質部１０８に中間部材１０９と照明用ファイバを固定した後にビデオモジュールが挿入され固定される。
【００３８】
結像倍率などの調整が必要な場合は、明るさ絞り１０３の前後に設けた間隔調整部１１２ａ、１１２ｂの間隔を増減させることにより調整を行うことができる。間隔調整には、ごく薄い板材で製作された間隔調整リングが用いられる。このため、間隔調整部は予め複数の薄板が積み重ねられることを想定して設計されており、実際に使用する部品の寸法公差によって部品組み上がり後の間隔にばらつきが生じるのに応じて、薄板の枚数を増減させることにより調整が行われる。
表１
曲率半径      間隔        屈折率      アッベ数    レンズ外径
INF         0.46        1.5183        64.14        1
0.84        0.17        1
INF         0.4         1.7323        54.68        1
-0.817      0.05        1
1.353       0.65        1.7323        54.68        1
-0.703      0.25        1.7044        30.131
-3.804      0.09        1
INF（絞り） 0.03        1
INF         0.4         1.5156        75.00        1
INF         0.2         1
1.566       0.4         1.67          48.32        1
-1.566      0.2         1
-0.729      0.3         1.5198        52.43        1
INF         0.56        1
INF         0.4         1.5183        64.14
INF         0.01        1.5119        63.00
INF         0.4         1.6138        50.20
INF         0.01        1.5220        63.00
INF         0
物体距離    0    像高        0.500
（実施例２）
図１２は実施例２のレンズ断面図、表２はレンズデータを示す。
【００３９】
実施例１と類似の構造部分については同一符号を付して説明を省略する。
表２
曲率半径      間隔        屈折率      アッベ数    レンズ外径
INF         0.88        1.8882        40.76        1.2
-0.703      0.05        1
INF         0.4         1.5183        64.14        1.2
-1.485      0.05        1
2.085       0.76        1.8081        46.57        1.2
-0.703      0.25        1.8126        25.42        1.2
INF         0.05        1
INF（絞り） 0.03        1
INF         0.4         1.5156        75.00        1.2
INF         0.43        1
1.131       0.5         1.8395        42.72        1.2
-3.127      0.2         1
-1.061      0.3         1.8126        25.42        1.2
INF         0.2         1
-0.592      0.3         1.8081        46.57        1.2
2.132       0.77        1.8126        25.42        1.2
-1.262      0.77        1
INF         0.4         1.5183        64.14
INF         0.01        1.5119        63.00
INF         0.4         1.6138        50.20
INF         0.01        1.5220        63.00
INF         0           1
物体距離    0    像高        0.500
各実施例の仕様を表３に、条件式の値を表４に示す。
表３
項目        記号    単位       実施例１     実施例２
対物系倍率    βo              -2.678847    -6.63
前群焦点距離  ｆ１  [mm]        0.765        0.591
後群焦点距離  ｆ２  [mm]        3.476        4.557
焦点距離      ｆ    [mm]        0.657        0.797
視野角の半分  ｗｙ  [deg]       6.141        3.95
主光線射出角  ｗｙ' [deg]      13.965        6.02
物体側開口数  ＮＡ              0.2184       0.55
絞り径        φ１  [mm]        0.36         0.66
最大レンズ径  φ２  [m]         1            1.2
ピッチ        Ｐ    [μ]        4            4
基準波長      λ    [μ]        0.546        0.546
表４
番号    条件式                             実施例１      実施例２
1    1<|βo|<10                             2.680         6.630 
2    2≦f2/f1≦10                           4.544         7.711 
3    0.9≦|coswy'/coswy|≦1.1               0.976         0.997 
4    0.1≦NA≦0.8                           0.220         0.550 
5    0.2≦φ1/(φ2×f1)≦2                  0.471         0.931
6    0.1≦|p×(NA)2/(0.61×λ×βo)|≦0.8   0.215         0.544 
次に、生体内での細胞観察に適したビデオシステムについて説明する。
【００４０】
生体組織は、血管などが走行している実質組織とその上層の透明な上皮細胞とで構成されていることは前述した。この透明な上皮細胞を構成する細胞核やその他の部分にコントラストを付け、下層に位置する実質組織の影響を受けることなく所望の観察範囲に位置する上皮細胞のみを観察するためには以下のような工夫が必要である。
【００４１】
例えば、細胞を青色に染色することでコントラストを付ける場合、注目する細胞層のみを明りょうに観察するために最適なビデオシステムは以下のような構成である。
【００４２】
図３にビデオシステムの構成を示す。
光源１から供給される照明光はビデオモジュール２を介して被写体３に照射される。光源１には波長選択フィルタ８が設けられており、照明光路中に適宜挿入されて、細胞観察に適した波長分布特性をもった照明光を生成する。可視波長範囲の照明光を被写体に照射した場合、青色の波長領域に属する短波長の光は、生体組織のごく表層までしか深達しない。このことを利用して、生体組織の上皮細胞に特化した情報を取得することが可能である。
【００４３】
また、上記可視波長範囲のうち緑色の波長領域に属する５００nm付近の光には生体組織の表層より少し深い部分まで到達する性質があり、上記可視波長範囲のうち赤色の波長領域に属する長波長の光には生体組織の比較的深い部分まで到達する性質がある。
【００４４】
被写体の像は拡大ビデオモジュール２の対物光学系により撮像素子の撮像面に結像し、電気信号に変換されて画像処理装置４に送られる。可視波長範囲の画像情報を処理する場合には、緑色の波長成分から被写体の輝度情報が取り出される。これは、人間の眼を通して得られる画像に近付けるためである。画像処理装置４で加工された画像情報はＴＶモニタ５に表示される。
【００４５】
いま、赤色、緑色、青色の３色がほぼ等しく混合された白色光を青色に染色された細胞に対して照明すると、染色された部分は青くなり、染色されない部分は照明光の色を反映して白くなる。図４に、ビデオモジュールで撮像された細胞の像の波長分布特性を示す。図の縦軸は光の強度（単位：任意単位）、横軸は波長（単位：nm）である。染色されない部分は実線で示したように特定波長での吸収がなく、ほぼフラットな波長分布特性となる。青く染色された部分は破線で示したように、赤色成分の光が吸収されて強度が低下した波長分布特性となる。
【００４６】
このように、ビデオモジュールを通して得られる画像では、背景（染色されず白くなる部分）と細胞核や細胞壁（染色されて青くなる部分）とのコントラストが、赤色の光など可視波長範囲の長波長側の吸収特性の差分により得られていることがわかる。
【００４７】
また、図１に示したように、上皮細胞は上下方向に層構造を成しており、注目する深さ以外にある細胞層の像が背景に重なったり、更に下層に位置する実質組織の像が背景に重なると画像のコントラストは低下する。細胞核と比較すると細胞壁は染色され難いため、このような画像ノイズが背景に重なると図６に示したような画像となって細胞壁の識別が困難になる。
【００４８】
背景に重なる画像ノイズを除去するためには、注目する深さ以外にある細胞層や実質組織の情報を伝える光を、照明光路中かもしくは撮像素子より前の対物光学系中でカットすればよい。本実施例のビデオシステムでは、照明光路中に特定の波長範囲をカットするフィルタを挿入して、照明光から不要な波長成分を除去する構成をとっている。この場合、不要な波長成分として主に赤色の光など、可視波長範囲の長波長側の光を除去すればよいが、赤色の光を全てカットしてしまうと、青く染色された部分と染色されない部分とのコントラストを得るための波長成分までカットされてしまうことになり好ましくない。
【００４９】
そこで、本実施例では、光源の波長選択フィルタ８として図７に示す分光透過特性を有するフィルタを用いた。図の縦軸は透過率（単位：パーセント）、横軸は波長（単位：nm）であり、分光透過率特性を実線で示した。より具体的には、青色波長領域、緑色波長領域、赤色波長領域の照明光うち、少なくとも赤色波長領域の照明光を２つの波長帯Ｒ１、Ｒ２に分割し、緑色波長領域に近い波長帯Ｒ１をカットするフィルタであり、波長帯Ｒ１は６００nmから７００nm、波長帯Ｒ２は７００nmから８００nmに設定されている。
【００５０】
緑色波長領域に近い波長帯Ｒ１をカットした光を照明することで、対物光学系の被写界深度内にあって、注目する深さ以外にある細胞層や実質組織に到達する光が制限されるので、実質的に対物光学系の被写界深度が縮小されて深さ方向の分解能が向上し、像の重なりを除去することができる。一方、波長帯Ｒ２の光は、青く染色された細胞核や細胞壁と、染色されない他の部分のコントラストを得るのに寄与するので、図８に示すように、不要な深さからの情報を消去して、注目する細胞層のみを明りょうに画像化することができる。図７に示される特性はダイクロイックフィルタなどにより実現できる。
【００５１】
また、細胞核のみを強調するために、造影剤を用いることができる。この場合、細胞核に吸収された造影剤は励起光により励起され、基底状態に戻るときに蛍光を発するので、これを観察することで細胞核のみを正確に識別することができる。特に、光に反応する遺伝子マーカーとして遺伝子造影剤（例えばＧＦＰなど）を細胞中に注入し、正常な細胞が癌などの病変に変化する際に現れる特定の遺伝子の発現を確認する方法には、本発明のビデオシステムを用いるのが有効である。
【００５２】
この方法では、病変に変る直前に生体細胞内の遺伝子が変化する兆候が現れると同時に、それまで正常細胞に対しては何の作用も及ぼさなかった遺伝子マーカーが発現して励起光に対して微弱な蛍光を発するようになる。このため、このような観察に使用するビデオモジュールは超高感度カメラを備えていることが望ましい。
【００５３】
細胞核の蛍光画像観察用ビデオシステムは、従来の内視鏡と組合わせて用いられるのが好ましい。このような組合せの例を図１５に示す。
蛍光画像観察用ビデオシステムは、挿入部４１を有する細い内視鏡として構成される。
蛍光画像観察用ビデオシステムのビデオモジュール４２は、挿入部４１の端部に搭載される。符号４３は従来の内視鏡を示し、処置具挿通口４４は、従来の内視鏡の先端から手元側（図示しない）まで延びている。従来の内視鏡４３も、観察窓４５と、照明窓４６，４７を、その端部に有する。
蛍光画像観察用ビデオシステムの挿入部４１は、従来の内視鏡４３の手元側から処置具挿通口４４に挿入され、処置具挿通口４４の先端側開口から出てくる。
蛍光画像観察用ビデオシステムを挿入した従来の内視鏡４３は、観察したい体内に挿入される。目標の観察部位に蛍光画像観察用ビデオシステムのビデオモジュール４２を導くために、従来の内視鏡４３は、蛍光画像観察用ビデオシステムの挿入部４１が処置具挿通口４４から突き出るのを見ることができる。
また、ＴＶモニタ５に従来の内視鏡の画像とビデオモジュールの蛍光画像を並列させて表示することで、細胞核の蛍光画像を観察しながらその周りの生体組織の様子を把握できるので、より正確で、しかも安全に観察を行うことができる。
【００５４】
例えば４８０nmより短い波長の光を主として吸収し、４７０nmより長い波長の蛍光を発するタイプの造影剤を用いる場合には、光源の波長選択フィルタ８として図９に示す分光透過特性を有するフィルタを用いるのが好ましい。図の縦軸は透過率（単位：パーセント）、横軸は波長（単位：nm）であり、分光透過率特性を実線で示した。
【００５５】
より具体的には、青色波長領域の照明光を２つの波長帯Ｂ１、Ｂ２に分割し、緑色波長領域に近い波長帯Ｂ１をカットするフィルタであり、波長帯Ｂ１は４５０nmから５００nm、波長帯Ｂ２は３５０nmから４５０nmに設定されている。対物光学系には、４７０nmより長い波長の光を透過し４７０nmより短い波長の光をカットするフィルタが配置されており、励起光をカットして細胞核の蛍光画像を得ることができる。励起光の波長と蛍光の波長が重なる波長帯Ｂ１の光をカットして照明することで、励起光の影響を受けることなく、ごく微弱な蛍光を取り出して鮮明に画像化することが可能である。
【００５６】
また、光源の波長選択フィルタ８には緑色波長領域や赤色波長領域の光の強度を低減するフィルタを付加してもよい。このようにすることで、細胞核の蛍光画像の背景に不要な画像ノイズが重なるのを防ぎながら、同時に、従来の内視鏡によって生体組織の通常観察画像を得ることができる。
【００５７】
次に、生体内での細胞観察に適した照明方法について図１３を参照して説明する。
内視鏡の先端には、被写体に向けて照明光を照射する照明装置の先端部と、被写体からの光を撮像素子の撮像面に結像する対物光学系の先端部がそれぞれ配置されており、照野Ｌの中心軸と視野Ｆの中心軸とが間隔ｄだけ離れているとする。内視鏡を用いて生体組織を観察する場合には、内視鏡の先端を生体組織に対して近接、対向するように配置し、生体組織を構成する上皮細胞層や実質組織層のうち、注目する部位が対物光学系の被写界深度範囲内に入るように、注目する部位と内視鏡先端面との距離Ｘを調整する。ここでは、上皮細胞層と内視鏡先端面との距離をＸ１、実質組織層と内視鏡先端面との距離をＸ２とする。
【００５８】
従来の内視鏡では、距離Ｘ２離れた実質組織を対物光学系の視野Ｆ２で観察する。このとき、視野Ｆ２内で均一な明るさを確保するため、内視鏡の先端における照野Ｌの中心軸と視野Ｆの中心軸との間隔ｄは、距離Ｘ２だけ前方に分布する照野Ｌ２が視野Ｆ２を含むように決められている。距離Ｘ２は数ミリメートルから数十ミリメートルである。
【００５９】
一方、拡大内視鏡では、距離Ｘ１離れた上皮細胞を対物光学系の視野Ｆ１で観察する。距離Ｘ１はゼロから数ミクロンである。このように、内視鏡先端面と被写体の間の距離がほとんど取れない状態では、内視鏡の先端における照野Ｌの中心軸と視野Ｆの中心軸との間隔ｄを詰めても距離Ｘ１だけ前方に分布する照野Ｌ１ａが視野Ｆ１を含むようにすることができない。すなわち、従来のような照明方法では対物光学系の視野Ｆ１で均一な明るさを確保することができないことがわかる。そこで、本発明では、対物光学系の被写界深度範囲よりも更に前方に位置する実質組織層を利用して、視野Ｆ１で均一な明るさが得られるような照明方法をとっている。
【００６０】
図１３では、内視鏡の先端から距離Ｘ１の位置に観察対象があり、距離Ｘ２の位置に実質組織層が存在する。内視鏡の先端から照射された照明光は、照野Ｌ１ａを通過して実質組織層に到達する。実質組織層は、反射・散乱面となって照明光を散乱する。内視鏡の先端から照射される照明光の配光分布がガウス分布に従うものとみなし、配光角がゼロ度のときの照明光の強度に対して１／ｅ（ただし、eは自然対数の底である）となる配光角ωを有効照明配光角と定義する。
【００６１】
内視鏡の先端から照射された照明光は、生体組織中を配光角ω1'で伝播し実質組織層に到達する。実質組織層で反射・散乱された照明光は、生体組織中を上皮細胞に向かって配光角ω2'で伝播し、内視鏡の先端から距離Ｘ１の位置に対物光学系の視野Ｆ１を含む照野Ｌ１ｂを形成する。その結果、対物光学系の視野Ｆ１では均一な明るさを確保できる。
【００６２】
ここで、ω1'、ω2'は生体組織中での配光角度であり、空気中での配光角に換算するには以下の式が用いられる。
sinω1＝1.33×sinω1'
sinω2＝1.33×sinω2'
実質組織層は対物光学系の被写界深度の範囲の外にあるので、実質組織層で反射・散乱された光は結像されず、上皮細胞への照明効果のみを得ることができる。また、内視鏡の先端における照野Ｌの中心軸と視野Ｆの中心軸との間隔ｄについて以下の条件を満足することが望ましい。
【００６３】
１≦log（ｄ／（Ｘ１×tanω））≦３      ・・・(10)
この条件式の上限を超えると、対物光学系の視野内で均一な明るさが確保できなくなる。この条件式の下限を超えると、内視鏡の先端外径を細く保ったまま、内視鏡の先端に照明装置の先端部と対物光学系の先端部を配置することが困難になる。
【００６４】
更に以下の条件を満たすのが望ましい。
５≦ｄ／（Ｘ２×tanω）≦３０           ・・・(12)
この条件式の上限又は下限を超えると、対物光学系の視野内で均一な明るさが確保できなくなる。
【００６５】
また、内視鏡の先端面から対物光学系の合焦位置までの距離Ｘ１と、内視鏡の先端面から実質組織層などの反射・散乱面までの距離Ｘ２は以下の関係を満たすのが望ましい。
【００６６】
０．５≦log（Ｘ２／Ｘ１）               ・・・(11)
この条件式の下限を下回って小さくなると、実質組織層の像が視野に映り込み画質が劣化する。
【００６７】
本発明の照明方法の実施例の仕様を表５に、条件式の値を表６に示す。
表５
項目          記号    単位      実施例１     実施例２
散乱体距離    Ｘ２    [mm]        0.1          0.1
対物合焦距離  Ｘ１    [mm]        0.015        0.002
照明視差      ｄ      [mm]        0.8          1
照明配光角    ω      [deg]       35           35
表６
番号    条件式                           実施例１    実施例２
10    1≦log（d/（Ｘ１×tanω））≦3      1.88         2.85
11    ０．５≦log（Ｘ２／Ｘ１）           0.82         1.7
12    ５≦ｄ／（Ｘ２×tanω）≦３０      11.4         14.3
次に、拡大観察された細胞画像から細胞の異常の有無（例えば細胞が癌化しているか否か）を判断する方法について説明する。
【００６８】
図５は実施例１により拡大観察された染色細胞像を示す。拡大ビデオシステムに用いられるビデオモジュールはモニタ画面上で数十から数百個程度の核が観察可能な倍率に設定される。例えば、モニタ画面上に数十から百個程度の細胞核を表示し、細胞核の間隔などを基にして観察視野内での細胞の密集度を評価することにより、細胞の異常の有無を判断することができる。細胞の密集度は、正常サンプルデータとの比較により、統計学的に解析処理することができる。
【００６９】
このような拡大ビデオシステムは核を観察するのに充分な分解能と視野範囲を満足するようにその仕様が設定される。
ビデオモジュールの観察倍率を更に上げて、モニタ画面上に数個程度の細胞核を表示し、単位面積に観察される核の数から細胞の大きさを求めたり、細胞核の形状を観察することで細胞の異常の有無を評価することもできる。例えば癌化した細胞には、細胞自体が肥大したり、変形するなどの固有の特徴が現れるので、細胞核の大きさや形を評価することで細胞が癌化しているか否かを判断することができる。
【００７０】
図８は実施例２により拡大観察された核と細胞壁を示す。拡大ビデオシステムはモニタ画面上に数個程度の核が観察可能な倍率に設定される。細胞壁の面積Ｓと核の面積Ｓ'より細胞に占める核の割合を求めその比率から異常の有無を評価することができる。このような拡大ビデオシステムは核のみならず細胞壁を観察するのに充分な分解能とコントラストが得られるように設定される。
【００７１】
以上説明した生体内細胞観察の一連の手順の一例を図１４のフローに示した。
観察対象となる部位や選択する染料の種類などによって、照明光の波長特性を複数選択することが考えられる場合には、上述したように白色光源から特定の波長帯をフィルタリングするシステムが汎用性の面で優れている。一方、照明光の波長特性を予め限定して使用できる場合は、例えば照明光を単色化することにより更に簡略化した構成とすることができる。
【００７２】
特定波長での観察に特化したイメージングシステムの一例を図１０に示す。本発明のビデオモジュールは観察距離が非常に短いため、光源１７は単色で低出力のもの、例えばＬＥＤ等で構成できる。ＬＥＤ光源は内視鏡本体に実装することが可能となる。又ＬＥＤ光源を先端に配置することで照明伝送用のファイバを省略できる。観察系１１は単色で球面収差を補正すればよいため光学系１３も簡略にできる。例えば絞り１４の前方に非球面を用いた単レンズを配置したり、非球面の代わりに数枚の球面レンズにより構成することが可能になる。
【００７３】
このように小型化、簡素化されたビデオモジュールは、内視鏡のような医療製品へ搭載する場合のレイアウトの自由度を広げることができるので、例えば軟性タイプの体内挿入装置ではカテーテルやレーザプローブといった処置具と組合わせることができる。また、硬性タイプの体内挿入装置では映像情報を無線化することによりペンシル型やカプセル型などのコンパクトな形態を取ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】従来内視鏡による生体組織の観察原理を説明する図である。
【図２】顕微鏡による標本の観察原理を説明する図である。
【図３】本発明のビデオシステムの構成図である。
【図４】本発明のビデオモジュールで撮像された細胞の像の波長分布特性を示す図である。
【図５】本発明の実施例によって拡大観察された染色細胞像を示す図である。
【図６】下層の細胞が背景に重なった場合の画像を示す図である。
【図７】本発明の実施例に用いる波長選択フィルタの分光透過特性を示す図である。
【図８】図６の画像に対し、不要な深さの情報を消去した画像を示す図である。
【図９】本発明の実施例に用いる別の波長選択フィルタの分光透過特性を示す図である。
【図１０】特定波長での観察に特化したイメージングシステムの例を示す図である。
【図１１】本発明の実施例１のレンズ断面図である。
【図１２】本発明の実施例２のレンズ断面図である。
【図１３】生体内での細胞観察に適した照明方法を示す図である。
【図１４】本発明による生体内細胞観察の手順を示すフローである。
【図１５】本発明の細胞核の蛍光画像観察用ビデオシステムを、従来の内視鏡と組み合わせて用いる様子を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１、１７    光源
２          ビデオモジュール
３          被写体
４          画像処理装置
５          ＴＶモニタ
８          波長選択フィルタ
１１        観察系
１３        光学系
１４        絞り
４１        挿入部
４２        ビデオモジュール
４３        内視鏡
４４        処置具挿通口
４５        観察窓
４６，４７  照明窓
１０１      対物レンズ群
１０２      対物枠
１０３      明るさ絞り
１０４      カバーガラス
１０５      撮像素子
１０６      撮像枠
１０７      間隔
１０８      先端硬質部
１０９      中間部材
１１０      外表部
１１１      照明用ファイバ
１１２ａ、１１２ｂ      間隔調整部
Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ２    照野
Ｆ１、Ｆ２  視野
【図１】
2004313772.tif 000003
【図２】
2004313772.tif 000004
【図３】
2004313772.tif 000005
【図４】
2004313772.tif 000006
【図５】
2004313772.tif 000007
【図６】
2004313772.tif 000008
【図７】
2004313772.tif 000009
【図８】
2004313772.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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